Наука о полимерах наукам о живом

Создание кафедры высокомолекулярных соединений МГУ в 1955 г. по времени совпало с двумя великими открытиями, каждое из которых было вскоре удостоено Нобелевской премии. Первое – это уже упомянутое открытие Циглером и Натта катализаторов для синтеза полимеров. Второе – это открытие Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном структуры двуспиральной ДНК, заложившее основы современной молекулярной биологии. Оба открытия оказали революционное действие на развитие науки и техники, и, конечно, сильно повлияли на исследования, проводившиеся на кафедре.

Cходство синтетических полимеров с ДНК и другими биополимерами вызывали большой интерес В. А. Каргина и его учеников. Уже в ранних работах, выполненных на кафедре, стали делаться попытки моделирования биологических процессов с помощью простых синтетических аналогов биополимеров. Так в середине 60-х годов появились первые работы отца по матричной полимеризации, выполненные в соавторстве с В. А. Каргиным и О. В. Каргиной, которые сыграли значительную роль в формировании его взглядов на роль полимеров в биологии. Матричная полимеризация в то время была известна как ключевой биологический процесс, в ходе которого на уже готовой молекуле ДНК – «матрице» из природных мономеров – нуклеиновых кислот, формируется новая молекула ДНК. Природная ДНК – это цепная молекула со строго заданной последовательностью нуклеиновых кислот. Вновь образующаяся в ходе матричного синтеза ДНК в точности структурно соответствует или, как говорят, «комплиментарна» структуре исходной матрицы. Этот процесс лежит в основе передачи генетической информации и осуществляется с помощью сложного природного устройства – фермента «ДНК-полимеразы». Отцу же впервые удалось осуществить синтез полимера из неприродных пиридиниевых мономеров на простой синтетической матрице, полистролсульфокислоте. Это открытие принесло ему мировую известность не только среди химиков-полимерщиков, но и среди биологов, о чем он мне впоследствии с гордостью рассказывал. Мне кажется, что эта работа отца в какой-то степени «окрылила»: он почувствовал свою способность к проникновению в смежные области науки, в биологию.

Надо сказать, что 60-е годы ознаменовались приходом в биологию нескольких выдающихся отечественных химиков. Среди них был и будущий декан химфака МГУ Илья Васильевич Березин. Ученик Н. Н. Семёнова и Н. М. Эмануэля, он занимался проблемами химической кинетики, т.е. скорости протекания химических реакций. Советская школа химической кинетики была одной из самых сильных в мире, и за работы в этой области в 1956 году Семёнов был удостоен Нобелевской премии. Березин же заинтересовался химическими реакциями, протекающими в живой клетке, и создал на химфаке сначала группу, а потом кафедру «химической энзимологии», изучающую ферменты – природные катализаторы таких реакций. Полимерщики и энзимологи работали рядом и относились друг к другу с большим уважением. Я не знаю, в какой момент знакомство отца с Березиным переросло в близкую дружбу, но ясно, что их связывала не только наука, но и глубокая взаимная симпатия. Березин был щедрый, широкий и масштабный человек. Однажды отец необдуманно пообещал одному знакомому ученому, хорошему специалисту и приличному человеку, посодействовать в устройстве того на работу на химфак. Дело было в поезде, они были попутчиками в дороге, ехали в одном купе. Он попросил, а отец не сумел отказать, хотя потом понял, что преступил грань, так как такие вещи принято, по меньшей мере, согласовывать заранее. Но обещание есть обещание, и отец отправился с этим к Березину, в то время уже декану. Тот, выслушав покаянное объяснение отца, сказал ему: «Витя, раз ты обещал, ничего не поделаешь», и принял этого человека на работу профессором. Принял не потому, что хотел сделать отцу одолжение как другу, а потому, что отец в глазах того человека представлял химфак, и они вместе должны были держать ответ.

Дружеские отношения руководителей «по индукции» передавались и их сотрудникам. Обсуждали научные проблемы, приглашали друг друга делать доклады на семинарах, оппонировать диссертационные работы. Так отец был оппонентом докторской диссертации одного из самых блестящих учеников Березина, Карела Мартинека. В этой диссертации Мартинек сумел детально разобраться в механизме катализа на примере альфа-химотрипсина и других протеолитических ферментов, расщепляющих пептидные связи. Причем, разобрался именно как химик, впервые показав, что способность ферментов колоссально ускорять химические превращения при низких, «комнатных» температурах может быть разумно объяснена в понятных химикам терминах – связывания, ориентации и создания напряжения химических связей в превращаемых молекулах. Отец был в восторге от этой работы, и однажды сказал мне, что если себе, как ученому он бы поставил «пять с минусом», то Мартинека он оценивает на твердую «пятерку». Надо сказать, что, когда я поступил на кафедру химической энзимологии, я изучал механизмы действия ферментов именно по диссертации Мартинека, которая сохранилась у нас дома.

Именно в тот период, как бы в порядке «соревнования» с дружественными энзимологами, у отца родилась идея создания «искусственного фермента», построенного из синтетического полимера. Это была непростая задача, так как природные ферменты построены из полипептидных цепей строго заданной последовательности, которые умеют сворачиваться в трехмерные структуры, образуя своеобразные молекулярные устройства. (1) В таких устройствах различные группы атомов, изначально расположенные в разных участках полипептидой цепи, сходятся вместе в пространстве, формируя специальные участки, «активные центры», где потом связываются и вступают в химическую реакцию превращаемые молекулы, «субстраты». Синтетические же полимеры имеют слишком простую структуру, и в них обычно невозможно точно зафиксировать различные звенья с тем, чтобы они потом точно свернулись в подобные ферментам трехмерные устройства. (2) Сначала пытались на цепочку полимера навешивать в разных местах нерастворимые группы, так что эти группы собирались вместе в маленькую частичку, подобную капельке жира, а растворимая цепь полимера сворачивалась вокруг. Молекулы субстрата прилипали к таким жирным капелькам, и расщеплялись с участием других групп, расположенных по соседству на растворимых полимерных цепях, выполнявших роль активного центра. Этот подход напоминал «мицеллярный катализ», параллельно разрабатываемый на кафедре химической энзимологии. Получались вполне приличные ускорения химических реакций, которые хотя, как правило, не дотягивали до скоростей действия природных ферментов, но демонстрировали принципиальную возможность подобного подхода.

А потом отцу пришла в голову совершенно провидческая идея, что нужно настраивать полимерную цепь на взаимодействие с конкретным субстратом. А для этого необходимо иметь полимер, который мог бы связываться как с субстратом, так и с молекулами, обеспечивающими сворачивание всей конструкции в компактную структуру. Однако такое связывание должно быть достаточно слабым и обратимым, чтобы эти молекулы могли перемещаться по цепи полимера и в присутствии субстрата выбирать наиболее оптимальное для него расположение. Если потом зафиксировать получающуюся структуру с помощью химических связей, то она могла бы узнавать субстрат, на который была настроена. Хотя эта идея не была реализована в полной мере для создания искусственного фермента, она имела далеко идущие последствия в смежных областях и нашла отражение во многих работах, выполненных отцом на протяжении последующих десятилетий.

Вскоре отцом и сотрудниками были опубликованы несколько статей об образовании комплексов заряженных синтетических полимеров – «полиэлектролитов» с белками, в которых, в частности, была продемонстрирована способность таких полимеров «узнавать» и выбирать из смеси белков наиболее подходящих им партнеров. Хотя со времени публикации этих статей прошло уже более 30 лет, в них настолько ясно и глубоко изложены ключевые принципы самосборки полимерных молекул, что я до сих пор прошу своих аспирантов и молодых сотрудников с ними ознакомиться. В целом идеи самосборки и молекулярного узнавания в простых полимерных системах были развиты в огромном цикле работ по растворимым полиэлектролитным комплексам, выполненных под руководством отца на кафедре высокомолекулярных соединений. Эти работы получили мировое признание и имели важнейшие последствия для применения полимеров в самых разных областях науки. В частности, они предвосхитили и подтолкнули современное развитие наномедицины, в том числе создание нового поколения систем направленной доставки генов и других биологически активных соединений в клетку.

Отцу принадлежит и другая идея, опередившая свое время на многие десятилетия и реализованная им на практике в содружестве с иммунологами для создания полимерной вакцины. Речь идет о возможности направленного воздействия c помощью синтетических полимеров, в частности полиэлектролитов, на специфические ответы иммунных клеток в организме. Еще в конце 60-х годов под руководством В. А. Каргина отцом совместно с лабораторией антибиотиков биолого-почвенного факультета МГУ была выполнена работа, показавшая высокую противоопухолевую активность синтетических полимеров, содержащих противораковый препарат сарколизин. Несмотря на то, что это, по-видимому, была одна из первых публикаций такого рода, она не получила дальнейшего развития в работах кафедры. В отличие от матричной полимеризации или проблемы искусственного фермента, о которых отец мне подробно и воодушевленно рассказывал, он никогда не упоминал об этой статье, возможно, потому, что считал её второстепенной, «проходной». Но когда, вскоре после его смерти, в ходе подготовки сборника трудов я изучал его публикации разных лет, меня поразило, что эта статья была опубликована за пять лет до знаменитой концепции немецкого полимерщика Хельмута Рингсдорфа, положившей начало «полимерной терапевтике». Суть этой концепции заключается в том, что если присоединить маленькую молекулу лекарства к большой цепи полимера, то свойства лекарства можно принципиально изменить в лучшую сторону: повысить его растворимость, понизить токсичность, и увеличить накопление в раковых клетках.

В самой статье, по видимому из-за соображений секретности, к сожалению, не расшифрована структура полимерных носителей. Однако сохранилась копия справки, написанной отцом, из которой ясно, что в качестве полимера-носителя использовался поли-4-винилпиридин и некоторые его производные. В этой справке отец писал: «...проведенные биологические испытания показали, что имеется принципиальная возможность, благодаря использованию специфических полимерных носителей, повысить активность уже известных противоопухолевых полимерных веществ, изменить спектр их действия, снизить токсичность, ослабить или вовсе избежать действия на кроветворение, усилить избирательность действия на опухоли.» (3) Самое удивительное, что некоторые из исследованных носителей в отсутствии лекарства показывали более высокую противоопухолевую активность, чем сам сарколизин или его соединения с полимерами. То есть, по-существу, было обнаружено полезное фармакологическое действие водорастворимых неприродных полимеров.

Каргин, безусловно, понимал важность проведенных исследований и незадолго до своей смерти летом 1969 г. обратился к председателю Государственного комитета по науке и технике В. А. Кириллину с просьбой выделить химикам и биологам десять штатных единиц для расширения фронта работ в этом направлении. Через год с этой же просьбой отец обратился к работнику отдела науки ЦК КПСС В. С. Смирнову, с которым Каргин успел его познакомить. Возможно, при посредничестве Смирнова, отец «вышел» на сотрудничество с Институтом биофизики Минздрава СССР, который в то время занимался вопросами воздействия радиационного излучения на живые организмы. Поэтому вначале совместные исследования с этим институтом сфокусировались на создании синтетических противолучевых полимеров, которые могли бы вызывать защитные реакции при введении в кровь, а также связывать и выводить из организма радиоактивные частицы. Вскоре было показано, что те же самые полимеры, которые работали против раковых опухолей, обладают защитным эффектом против радиационного поражения. Становилось понятно, что неприродные полимеры обладают широким спектром действия на уровне клеток всего организма. Дальнейшее исследование этих вопросов без участия квалифицированных биологов было затруднительно.

В своих воспоминаниях отец писал, что «случай свёл» его с Рэмом Викторовичем Петровым. Мне же он говорил, что обратиться к Петрову, выдающемуся иммунологу и будущему академику, в то время еще достаточно молодому, ему посоветовала сестра, учёный-микробиолог Елена Александровна Кабанова, один из самых близких отцу людей. Петров и его сотрудники, среди которых вскоре выделился Рахим Мусаевич Хаитов, тоже будущий академик, тогда работали в Институте биофизики. История их совместного открытия очень хорошо описана как самим отцом, (4) так и Петровым, (5) и я не буду её здесь подробно пересказывать. По-существу, им удалось показать, что самые различные неприродные полиэлектролиты, во-первых, активируют «стволовые» клетки крови, из которых потом получаются все остальные клетки крови, в том числе клетки иммунной системы – лимфоциты. Во-вторых, эти полимеры могут активировать сами лимфоциты, многократно усиливая иммунный ответ на введенный в организм антиген. Принципиально, что против самих полимеров, поскольку они неприродные, иммунный ответ не вырабатывается, и поэтому организм не растрачивает часть иммунитета впустую. В-третьих, если антиген присоединить к полимеру, то получается эффективная и селективная синтетическая вакцина, которая работает даже в том случае, когда этот антиген «слабый» и организм генетически не запрограммирован на его узнавание и иммунный ответ. (6) Благодаря этому при создании вакцины, в частности против вируса гриппа, можно было использовать так называемые «консервативные» антигены, которые находятся внутри вирусной оболочки и не подвержены быстрой изменчивости, позволяющей вирусам обмануть наш иммунитет. Поэтому с помощью вакцины, построенной из одного штамма вируса гриппа, удавалось обеспечить защиту от вируса другого штамма. Такая вакцина, получившая название «Гриппол», была создана, и ею были успешно вакцинированы десятки миллионов людей.

Ключевую роль в успехе этих работ сыграло то, что химики и биологи сумели найти общий язык для того, чтобы объяснить и использовать удивительные явления, с которыми они столкнулись в ходе эксперимента. Например, для отца было совершенно удивительно вначале, что сходным иммуностимулирующим действием обладали как положительно так и отрицательно заряженные полимеры самой разной структуры. Он, конечно, сразу обратил на это внимание и быстро понял, что суть заключается в способности таких полимеров к многоточечному («кооперативному») взаимодействию с мембранами клеток. Подобные взаимодействия он подробно изучал на примере растворимых полиэлектролитных комплексов, о которых я уже упоминал. Для того, чтобы объяснить способность полиэлектролитов выбирать «правильные» иммунные клетки, принося им соответствующий антиген, в ход пошла концепция молекулярного узнавания. Вначале отец просто догадался об этом, а потом, поставив с учениками детальные эксперименты, доказал, что полиэлектролиты, «необратимо» адсорбированные на поверхности частиц, могут «переползать» с одной частицы на другую пока не найдут оптимального партнера. В случае полимерной вакцины таким оптимальным партнером является иммунная клетка – B-лимфоцит, на поверхности которой находится рецептор, способный связать соответствующий антиген. Более того, в экспериментах, поставленных иммунологами, выяснилось, что полиэлектролиты, взаимодействуя с мембраной такой клетки, могут её активировать, по-существу выполняя функцию клеток-помощников, Т-лимфоцитов, которые обычно контролируют силу иммунного ответа. Поэтому полимерные вакцины работают даже в отсутствие Т-лимфоцитов, а это и обеспечивает сильный ответ даже на те антигены, сильный ответ на которые генетически не запрограммирован.

В целом заслуга химиков и иммунологов заключалась не только в том, что на протяжении более двух десятков лет ими были проведены систематические исследования, позволившие создать первую в мире синтетическую полимерную вакцину. В ходе этих работ был синтезирован новый синтетический катионный полимер «полиоксидоний», который можно было вводить в организм человека без вредных последствий. Насколько мне известно, это первый и единственный пока случай использования неприродных поликатионов для введения в организм человека. Само по себе создание действующего лекарственного препарата на основе синтетического полимера – значительное достижение. Но и само направление мысли, лежавшее в основе этих работ, было совершенно неожиданным. В то время было уже ясно, что полимеры могут оказаться полезными в медицине, например, как материалы для замены живых тканей, или даже носителей для лекарств, но такие материалы и носители все старались (и стараются) сделать максимально инертными, чтобы они сами никак не воздействовали на организм. Тут же, наоборот, воздействие полиэлектролитов на иммунные клетки было положено в основу самой стратегии и в этом, конечно, огромная заслуга как отца, так и Петрова с Хаитовым. Они обнаружили способность неприродных полимеров модулировать иммунный ответ и первыми показали важность этого явления для биологии и медицины.

Когда я был студентом третьего курса химфака, отец пригласил меня послушать доклад Петрова, проходивший у них на кафедре. Этот доклад произвел на меня огромное впечатление, как и сам Петров. Высокий, красивый, прекрасно говорящий человек в тот день он приоткрыл для меня дверь в увлекательный и загадочный мир биологии. И спустя некоторое время я не преминул в эту дверь заглянуть. В этом для меня был особенно важен пример отца, который на протяжении многих лет последовательно применял принципы науки о полимерах для решения фундаментальных и прикладных задач биологии и медицины. Его вклад в этой области огромен и позволяет с уверенностью отнести его к числу первопроходцев, оказавших сильное влияние на развитие современной науки.

(1) Точности ради следует заметить, что впоследствии были открыты ферменты, построенные из рибонуклеиновых кислот, так называемые «рибозимы».
(2) Много позднее, с открытием так называемых «дендримеров», появилась возможность в ходе синтеза полимера достаточно точно располагать в пространстве различные химические группы.
(3) В отдел науки ЦК КПСС, В. С. Смирнову, 7 июля 1970 г.
(4) Кабанов В.А. Избранные труды М.: Наука. 2010. С. 364-394 (оригинальная публикация Высокомолекулярные соединения. А. 2004, Т. 46, №5. С. 1-24.)
(5) Петров Р.В. Урал – от идеи до лекарства. Лекции лауреатов Демидовской премии (1993-2004). Екатеринбург: Из-во Уральского университета. 2006 С. 395-411.
(6) Последнее явление получило название «фенотипическая коррекция» иммунного ответа.

Фотография: Виктор Кабанов (в центре) с сотрудниками Иваном Паписовым (слева) и Виталием Зубовым (справа), 1968 г.

Глава из "Повести о Настоящем Отце"
(Впервые опубликована в книге: Академик Виктор Александрович Кабанов. Человек, ученый, эпоха / Составитель проф. А.В. Кабанов. — Москва: Физматлит, 2014. — 275 с. + 48 с. вклейка с. — ISBN ISBN978-5-9221-1537-7)