По оценкам Всемирной организации здравоохранения, сонной болезнью, она же - африканский трипаносомоз - в мире страдают около полумиллиона человек.
На первый взгляд, это не так уж много. Скажем, малярией ежегодно заражаются от 300 до 500 миллионов человек, от 1,5 до 3 миллионов человек умирают. Но если малярия, равно как СПИД и туберкулез, постоянно находятся в центре внимания мировой общественности и, главное, фармацевтических фирм, результатом чего стало появление достаточно эффективных лекарственных препаратов, то сонная болезнь входит в основной перечень так называемых “забытых болезней” ВОЗ. Имеются в виду инфекционные и паразитарные тропические заболевания, поражающие преимущественно беднейшие слои населения в наиболее отсталых странах. Разработка средств борьбы с этими недугами значительных прибылей не сулит, а потому фармацевтические фирмы особого рвения тут не проявляют.
Между тем, сонная болезнь зарегистрирована в 36 странах Африки к югу от Сахары. Она вызывается простейшими вида Trypanosoma brucei, переносчиками которых служит муха цеце. Этот вид трипаносомы представлен тремя подвидами, один из которых инфицирует только животных, а два других – и человека. В зависимости от подвида возбудителя принято говорить о двух формах сонной болезни – гамбийской и родезийской: первая встречается в западной и центральной частях континента, вторая – в восточной.
Помимо этиологии, формы эти несколько различаются по симптоматике и течению болезни, однако общее для них то, что паразит, попав в организм, активно размножается, проникает в ткани, кровь, лимфу, а со временем преодолевает гематоэнцефалический барьер и поражает центральную нервную систему, так что без должного лечения уже лет через пять после заражения практически неизбежно наступает смерть.
И вот теперь группа немецких и американских исследователей предложила новый подход к разработке лекарства против сонной болезни. В основе подхода – использование метода рентгеновской кристаллографии для структурного анализа ферментов. Как известно, ферменты – это биокатализаторы, и без них обмен веществ в организме был бы практически невозможен.
Но чтобы понять, как тот или иной фермент функционирует, а тем более, чтобы целенаправленно повлиять на этот механизм, необходимо знать пространственную структуру молекулы фермента. Для построения трехмерных моделей сложных белковых моделей исследователи используют рентгеновскую кристаллографию. “Нам нужны рентгеновское излучение и кристаллы, – говорит Кристиан Бецель, профессор кафедры биохимии и молекулярной биологии Гамбургского университета. – Маленькие кристаллы, поперечником в миллиметр или даже несколько меньше”.
Кристалл играет роль дифракционной решетки: пучок рентгеновских лучей рассеивается на атомах, для измерения интенсивности и направления этого отраженного излучения служит рентгеновский дифрактометр. В результате формируется изображение, которое и позволяет исследователям судить о пространственной структуре биокристалла, а значит, и о механизме действия лежащей в его основе биомолекулы.
Проблема лишь в том, что вырастить кристаллы миллиметровых размеров удается отнюдь не из любого белка. В частности, очень плохо поддаются кристаллизации и молекулы фермента, жизненно важного для возбудителя сонной болезни. Профессор Бецель поясняет: “Мы изучаем этот фермент вот уже 6 лет, потому что он играет ключевую роль в организме паразита, с которым мы хотим покончить. Если этот фермент отсутствует, паразит нежизнеспособен. Значит, вещество, блокирующее этот фермент, может стать основой для эффективного средства борьбы с трипаносомой. Но чтобы найти такое вещество, мы должны знать структуру молекулы этого фермента во всех деталях”.
Дело осложняется тем, что и в организме человека присутствует фермент, очень похожий на фермент трипаносомы. Ясно, что будущий лекарственный препарат должен блокировать исключительно фермент паразита, а не сходный с ним фермент человека, а потому выявление различий между этими ферментами обретает особое значение.
Поскольку же из этих ферментов удалось вырастить лишь мельчайшие нанокристаллы, для их структурного анализа исследователям пришлось воспользоваться самым мощным в мире рентгеновским лазером на свободных электронах, расположенным в Стэнфорде, штат Калифорния. Ларс Редеке, коллега профессора Бецеля, говорит: “Лазерный импульс высокой энергии, попадая в кристалл, мгновенно его уничтожает. Кристалл испаряется, исчезает, но дифракционная картинка успевает сформироваться до этого, и мы успеваем ее зарегистрировать”.
Эти процессы протекают с немыслимой скоростью: между попаданием лазерного импульса в кристалл и разрушением кристалла проходит 50 квадриллионных долей секунды, но рентгеновская дифрактограмма готова уже через 10 квадриллионных долей секунды. Но дело, естественно, не ограничилось одной дифрактограммой, говорит Ларс Редеке: “Нам понадобилось очень-очень много кристаллов – примерно миллиард. От каждого из них мы получили рентгеновскую дифрактограмму, и потом компьютер на этой основе выдал нам ту самую пространственную структуру, за которой мы и охотились”.
Этот инновационный метод изучения структуры миниатюрных биокристаллов вошел в десятку наиболее выдающихся научных исследований минувшего года по версии журнала Science. Но как скоро он приведет к созданию эффективного средства против сонной болезни, профессор Бецель пока сказать не может: “Мы закладываем основы. Через несколько лет дело дойдет, наверное, до опытов на животных. Возможно, это позволит найти подходящее биологически активное вещество – основу будущего препарата. Нам предстоит пройти долгий путь, но первый шаг в нужном направлении мы уже сделали”.