Полезная отрава

Экология познания. Наука и открытия.Российские химики будут изучать самые необычные и плохо исследованные яды. Зачем им это нужно и какая польза человечеству от изучения отравы?

Полезная отрава. ТОКСИНЫ ДЕЙСТВУЮТ НА НЕРВЫ

Российские химики будут изучать самые необычные и плохо исследованные яды. Зачем им это нужно и какая польза человечеству от изучения отравы?

Фиолетовая пушистка смотрит гладкими, похожими на капельки жидкого металла глазками. Из грунта, покрывающего дно террариума, кроме глаз, торчат темные мохнатые ножки. Вообще, этот паук из рода пецилотерии обычно живет на пальмах Шри-Ланки. Он строит воздушные гнезда на деревьях, а если неосторожный любитель бананов или кокосов потревожит его покой, паук стремительно пикирует на обидчика, прокусывает кожу и впрыскивает несколько миллиграмм яда. Человек остается жив, но страдает мучительными судорогами — долго, иногда на протяжении многих недель.

— В настоящее время пауки, яд которых представляет смертельную опасность для человека, достаточно хорошо изучены, — говорит Антонина Беркут, сотрудник группы молекулярных инструментов для нейробиологии Института биоорганической химии (ИБХ) им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН. — Мы же интересуемся необычными ядами наподобие того, что выделяют эти пауки. Интересно изучить его состав и понять, за счет чего так долго проявляется токсичность.

Именно на изучение необычных свойств ядов, а также ядов мало исследованных животных получили грант РНФ ученые из ИБХ РАН под руководством биохимика Александра Василевского. Многоножки, медузы, морские ежи, скаты-хвостоколы и жуки-листоеды в силу разных обстоятельств нечасто привлекали к себе внимание ученых: кто-то казался не очень опасным, другие обитали там, где долго не ступала нога европейца, а третьих вообще долгое время считали неядовитыми. Ученые будут разбираться, какие именно вещества отвечают в неизвестных ядах за токсичность, и определят молекулярный механизм их действия. В дальнейшем благодаря этому знанию можно будет не только создавать противоядия, но и разрабатывать на основе токсинов лекарства.

— Мы подумали, что если в известных ядах обнаружено много интересных с точки зрения применения веществ, то, возможно, мы найдем что-то подобное у малоизученных животных, — рассуждает Александр Василевский. — При отборе мы руководствовались несколькими критериями. Помимо того что оно должно быть мало изучено, животное должно быть доступно, то есть обитать на территории России или продаваться в питомниках или зоомагазинах. Ну, и необходимо, чтобы было указание на какое-то необычное действие токсинов.

Яды животных для ученых, которые любят разгадывать тайны природы, — настоящий Клондайк. Само явление ядовитости — древнейшая форма защиты и химического общения — породило такое количество токсинов и способов защиты от них, что разбираться в них можно десятилетиями. Например, интересно узнать, почему щелезубы — млекопитающие со вздорным характером — не имеют иммунитета к собственному яду и погибают от незначительных царапин, которые иногда наносят сами себе во время драки? Или как так получилось, что некоторые виды, например, обычная свинья, спокойно переносит укус гремучей змеи? Почему яды пауков содержат тысячи компонентов, а яд пчелы — всего два?

— Известно, что в южной части Африки обитают жучки диамфидии, — рассказывает Петр Опарин, тоже работающий в группе молекулярных инструментов для нейробиологии. — Аборигены добывают из них высокотоксичное вещество. Это, по всей вероятности, один из самых ядовитых природных токсинов, так как отравленная стрела поражает взрослых слонов и жирафов. Но что это за вещество и как оно работает, никто не знает. Так как в России этими жуками никто не занимается, мы решили изучить их родственников — колорадских жуков. Их гемолимфа также имеет токсический эффект и на животных действует избирательно.

Подоить паука

В лаборатории, где изучают яды, опасных существ стараются не держать. Единственное животное, которое здесь обитает постоянно, — шпорцевая лягушка, белесое создание, похожее на крупный вареный пельмень c лапками. Она не ядовита вовсе, но зато с ее помощью удобно оценивать токсичность ядов.

Страшные мохнатые пауки с размахом лап в 15 сантиметров живут в Московском зоопарке под присмотром арахнолога Даниила Осипова, оттуда биохимики, как правило, получают на руки пузырек с ядом. На столе стоит пробирка с прозрачной слегка вязкой жидкостью — это яд одного из самых опасных пауков-птицеедов. Он обитает в Африке и внушил там панический ужас местным жителям своей агрессивностью и стремительностью передвижения. Ученые предполагают, что именно из-за него у человечества развилась арахнофобия. Добыть яд у такого монстра — особое искусство. Начнем с того, что паука доят. «Доильный аппарат» представляет собой специальную коробку для насекомого, углекислый газ и два электрода.

Доение паука — не такая уж и новая технология, её разработали ещё в 50-х. Совсем другое дело — подоить морского ежа.

— Паука усыпляют при помощи углекислого газа, затем его ударяют током, и он выделяет яд. Если паука давно не доили, удой может составить 4 миллиграмма яда. В среднем доить насекомое можно два-три раза в неделю, — говорит Антонина Беркут. — Занятие это опасное, поэтому специалист обязательно надевает резиновые перчатки и даже спящего паука держит длинным пинцетом — на всякий случай.

При всей экзотичности процесса доение паука — не такая уж новая технология. Различные методики стали придумывать с тех пор, как химики в 1950-е всерьез занялись изучением яда пауков для поиска противоядий. Свои традиции добычи яда сложились как в бразильском Бутантане, старейшем институте по изучению животных ядов, так и у отечественных ученых, например, в отделе молекулярной нейробиологии ИБХ РАН, возглавляемом академиком Е.В. Гришиным.

Совсем другое дело — подоить морского ежа. С такой необходимостью даже в научном мире люди сталкиваются нечасто. За ежами биохимики идут в зоомагазин. Правда, обычно любители аквариумистики покупают их по одному, а на работу в лабораторию требуется большое количество иглокожих, так что приходится звонить заранее и просить собрать во имя науки крупную партию.

— Сложность в том, что в ежах яда не так много, — объясняет сотрудник Группы молекулярных инструментов для нейробиологии Мария Сачкова. — Чтобы получить несколько грамм — чайную ложку — жидкости, нужно привлекать десятки ежей. 

Какого-то общепризнанного метода отнятия яда здесь не существует, поэтому данный процесс — сплошное творчество. Мы попробовали, например, применить электростимуляцию: тут важно подобрать правильное напряжение, чтобы разозлить ежа, но не угробить. Второй способ добыть яд — обстричь ядовитые педицеллярии (особые скелетные образования) на теле животного и затем из них экстрагировать нужное вещество. Но ежи при этом, конечно, уже не выживают.

Часть полученных учеными ядов сразу идет в работу, оставшееся отправляют на хранение: в замороженном виде вещество сохраняет свои свойства месяцами, а в высушенном — десятки лет. Для высушивания яд помещают в особое устройство, вытягивающее влагу. Высушенный яд представляет собой россыпь кристаллов — желтых или белых, как свежевыпавший снег.

— В нашем отделе есть «волшебный сундук», где яды хранятся с 70-х годов, — раскрывает местные тайны Антонина Беркут. — В основном яд скорпионов и змей, отловленных в Средней Азии. Иногда мы обращаемся к этим порошкам: чтобы восстановить яд, достаточно добавить определенное количество воды.

Тютелька в тютельку

«Волшебный сундук» с раритетными ядами стоит в коридоре Института биоорганической химии. Это большой холодильник, мигающий цифрой –70°С. В нем, упакованные в стеклянные банки и пластмассовые коробочки, лежат яды скорпионов и змей. Их собрали тогда, когда изучение биоядов переживало настоящий бум. В СССР, например, постоянно работали девять серпентариев, которые за год собирали 5–7 килограммов сухого змеиного яда.

Получив возможность изучать вещества на молекулярном уровне, ученые определили, что яды — это сложные коктейли из десятков, а иногда сотен и тысяч различных токсинов. Значительная часть из них — нейротоксины, то есть вещества, действующие на нервные клетки. Внешне их действие очень похоже: у человека наступает паралич мышц, и он умирает либо от остановки сердца, либо от остановки дыхания. Но, несмотря на сходство симптомов, строение токсинов, а также механизм их действия оказались разными. Показательно, что пристальный интерес биологов и химиков именно к нейротоксинам позволил сделать одно из важнейших открытий ХХ века: описать молекулярную систему, обеспечивающую работу нервной клетки.

— С помощью нейротоксинов змей и скорпионов, ученые изучили структуры, на которые они воздействуют, — натриевые и кальциевые каналы в мембранах клеток, — рассказывает Александр Василевский. В организме они отвечают за проведение нервных импульсов и сокращение мышц. Токсины прикрепляются к определенного вида каналам, блокируют их работу или, наоборот, активизируют ее и тем самым вносят дисбаланс в работу клеток.

Со временем стало ясно, что мембраны нервных клеток как будто специально «начинены» огромным количеством рецепторов разных видов, которые могут взаимодействовать с огромным количеством токсинов. То есть нейротоксины — это высокоточный молекулярный инструмент воздействия на нервную систему человека. Зная структуру ионных каналов, можно искусственно создавать вещества, способные регулировать работу нервной клетки, например, блокировать прохождение нервных импульсов.

Человеку достаточно получить нанограммы ботулотоксина — и он погибнет.

Одно из интересных с этой точки зрения веществ — латротоксин, названный так в честь паука латродектуса (каракурта, или черной вдовы). Это одно из немногих сильноядовитых членистоногих, обитающих на территории России, — он водится в покрытых полынью астраханских степях, Причерноморье и Приазовье. Впрочем, в жаркие годы некоторые отчаянные особи добираются и до Подмосковья. Особо опасным для человека яд этого небольшого паука делает именно латротоксин, отличающийся от других токсинов строением и действием.

— Как правило, нейротоксины — это небольшие белки, пептиды, у которых есть своя мишень в организме жертвы — ионные каналы, — говорит биохимик Петр  Опарин. — Латротоксин, в отличие от них, крупный белок, который, как оказалось, сам образует белковые комплексы и из них «производит» собственный канал, встраиваясь в мембрану клетки. Как именно это происходит, до сих пор неизвестно. В результате из нервного окончания начинают массово выбрасываться нейромедиаторы, что приводит к истощению нервного окончания и, как следствие, полному параличу. Мы изучаем, как именно устроен латротоксин, потому что он является уникальным экзогенным внеклеточным ионным каналом, то есть потрясающе сложной транспортной системой. Интересно, что в яде черной вдовы содержатся похожие токсины, безвредные для человека, но смертельные для насекомых. Этот эффект в дальнейшем можно использовать для создания нового вида инсектицидов, которые поражают вредных насекомых. В условиях, когда вредители научились приспосабливаться к существующим препаратам, на это направление возлагают огромные надежды.

Нервная работа

Ученых, занимающихся ядами, все время спрашивают, какой же из них самый сильный. И те все время отвечают разное, потому что разные организмы реагируют на один и тот же яд по-разному. Одни называют палитоксин, который содержится в кораллах и продуцируется вирусом-симбиотом. Он активно поражает коронарные сосуды и останавливает сердце. Другие вспомнят тетродотоксин, которым начинены внутренности японского деликатеса — рыбы фугу. До сих пор от яда рыб этого семейства погибают несколько человек в год: их не успевают довезти от ресторана до больницы. Но все-таки самые сильные токсины — бактериальные. Их производят бактерии Clostridium botulinum — крошечные микроорганизмы, которые любят селиться в бабушкиных грибочках и консервированном мясе. Чтобы отравиться насмерть, человеку достаточно получить несколько сотен тысяч молекул этого вещества, это миллионные доли грамма.

Например, хлоротоксин сегодня рассматривают как агент для лечения онкологических заболеваний. Он содержится в яде желтого палестинского скорпиона. От его уколов в Северной Африке каждый год гибнут десятки человек, в основном дети. Тем не менее именно хлоротоксин в малых количествах взаимодействует с клетками глиомы — опухоли мозга — и блокирует их подвижность, то есть останавливает развитие метастазов.

— Показательно, что близкий гомолог хлоротоксина первыми выделили ученые Института биоорганической химии еще в 70-е годы, — рассказывает Мария Сачкова. — Но тогда просто определили, что он является нетоксичным для млекопитающих. Когда мы увидели публикации, доказывающие противораковую активность хлоротоксина, то решили проверить в этом направлении наш токсин и получили похожие результаты. Сейчас мы работаем с клеточными культурами и готовим материалы к публикации.

Не менее интересные результаты дает и работа биохимиков с ядами других скорпионов. Оказалось, что токсины можно использовать для лечения аутоиммунных заболеваний — рассеянного склероза, ревматоидного артрита и диабета первого типа.

Токсины триумфально ворвались в медицину, но, надо признать, до конкретных фармакологических препаратов на основе биотоксинов дело пока доходит нечасто. Один из ярких примеров такого успеха — болеутоляющее на основе конотоксина, выделенного из яда моллюска конуса. Оно поступило в продажу в 2004 году и считается более сильным, чем морфий. Другие болеутоляющие токсины, находящиеся на стадии доклинических испытаний или уже прошедшие их, выделили сотрудники ИБХ РАН.

— Основные сложности при разработке подобных препаратов — их токсичность и низкая эффективность, — объясняет Александр Василевский. — Когда мы оцениваем действие вещества на изолированной культуре клеток, все проходит хорошо, а когда вещество попадает в организм, на него влияют десятки других факторов, которые подавляют его действие. В итоге из потенциальных тысяч соединений годным оказывается одно.Чтобы найти ту самую «волшебную» молекулу, требуются месяцы работы и самое современное оборудование. После того как ученые отбирают несколько перспективных с точки зрения воздействия веществ, специфику их токсичности проверяют на ооцитах шпорцевой лягушки — они большие, и в них почти нет собственных ионных каналов. Если речь идет о препарате для человека, в ооцит предварительно вводят мРНК человека, которая кодирует интересные ученым ионные каналы. Если токсин оказывается эффективным, ученые определяют его структуру и для дальнейшей работы воссоздают его методами генной инженерии — клонируют в гене бактерии. Иначе никаких пауков не напасешься.

Рыба фугу. Большинство учёных склоняются к тому, что яд — тетродотоксин — она вырабатывает не сама. Его порождают бактерии, живущие в симбиозе с рыбой

Как пройти в библиотеку?

С одной стороны, обнаружить нужный токсин — все равно что отыскать иголку в стоге сена. С другой стороны, обнадеживает тот факт, что иголок может быть огромное количество, а сам стог сена имеет поистине вселенские размеры.

— Количество токсинов почти бесконечно,— говорит Василевский. — Представьте: если в яде одного паука порядка тысячи токсинов, а самих пауков 40 000 видов, мы получаем миллионы веществ. Перед нами огромная библиотека, созданная природой. Мы проверяем амбициозную идею, согласно которой в нервной системе можно выбрать любой рецептор и отыскать к нему свой «ключ». Интересно, что пока она подтверждается.

Особо опасные и ядовитые: «черная вдова» и желтый скорпион

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте, а еще мы в Однокласниках