И. МАКСУТОВ: В студии Ивар Максутов. Разговариваем мы с теми людьми, которые эту науку создают и которые знают о ней не понаслышке. Наука из первых рук. И сегодня в гостях совершенно выдающийся человек, знаменитый биофизик, который является профессором Бостонского университета, практически живая легенда — Максим Франк-Каменецкий. Сегодня мы будем говорить о топологии ДНК. В прошлый раз мы начинали разговор о биофизике с Фазли Атауллахановым. Мы обсуждали некие основы и как это существует и функционирует. И какие имеет биомедицинские приложения. Сегодня поговорим о сложной, но важной проблеме ДНК о всем что с ней связанно, о том, как она нам представляется сейчас и как она представлялась нам раньше. Поговорим о том, что называется топологией ДНК. Давайте начнем с самого начала. Почему ДНК это проблема? Почему у нее есть развитие в виде топологии? Почему надо разбираться как она устроена в пространстве?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Все наверное знают, что ДНК не обычная полимерная молекула, в том смысле, что одна молекула состоит из двух цепочек и это является фактом первостепенной важности. Объясняет очень просто то, что основное свойство ДНК, как носителя генетической информации, возможность удваиваться при делении клеток и в конечном счете объясняет передачу наследственной информации из поколения в поколения. Это обстоятельство, что ДНК состоит из двух цепочек и эти цепочки связанны друг с другом комплементарными взаимодействиями и закручены в спираль. Имеет 4 буквы в алфавите ДНК: А, Т, Г, Ц. А всегда против Т, Т всегда против Ц. ДНК называется двойной спиралью. Она была открыта в 1953 году Джеймсом Уотсеном и Френсисом Криком и это считается одним из величайших научных открытий в истории человечества. Это открытие и привело к развитию гигантской науки и технологий связанных с биотехнологиям, с фармацевтикой. Это создало гигантскую индустрию. Биомедицина вся основана на молекуле ДНК, которая является самой главной молекулой в жизни. Уотсон и Крик ясно осознавали сложность, которая в себе таит двухспиральная структура молекулы ДНК. Если имеется две цепочки закрученные в спираль, то их развести далеко не просто. Для этого нужно спираль, которая имеет гигантское количество витков. Полный оборот спираль делает каждые 10 пар АТГС оснований. Для того, чтобы развести цепочку они должны разойтись в разные клетки, для того чтобы это произошло провести огромное количество оборотов. как это делать было не понятно. Это было камнем преткновения много лет. Это создало особую область, которая называется топологией ДНК.

И. МАКСУТОВ: Поняли, что есть спиральная структура. Дальше надо понять, как ее расположить в пространстве, то есть как она располагается внутри клетки.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Внутри клетки — это другая проблема. Главная проблема -это чтобы на каждую новую цепочку должна, по принципу комплементарности, нарасти новая цепочка. Так происходит удвоение генетической информации. Чтобы нужно развести, чтобы развести — их надо раскрутить. Например, закрученный двойной шнур, который начинается раскручиваться. Он будет закручиваться в немыслимую кашу. И с этой кашей надо разбираться. Это создает огромные проблемы. В течении многих лет, те, кто занимался ДНК и функционирование отмахивались от этой проблемы считали, что как-то это происходит. Первые пару десятилетий после начала развития новой области, после открытия двойной спирали ДНК — это было не изучено.

И. МАКСУТОВ: Почему отказывались?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Не знали как к этому подойти. Не могли сформулировать проблему так, чтобы было можно к ней подобраться. Топология — это математический термин, который связан со свойством (в отличие от геометрии, конкретной структуры чего-то) более общее понятие. Мы не интересуется конкретной формой, а интересуемся принципами ее формы. Например, сфера. Представьте, что я к этой сфере наращиваю ручку. Сфера с ручкой это некое топологическое понятие. Кружка топологической представляют собой сферу с ручкой. Любое изменение формы без разрезания самой структуры являются топологический эквивалентными. Пример близкий к ДНК — это узел в виде замкнутого контура. Веревка замкнута в кольцо и я могу из нее сделать кольцо, которое я могу расправить на плоскости и это будет окружность, то есть оно будет эквивалентно окружности, а могу завязать в узел и когда я ее буду класть на плоскость, то она не будет на нее ложиться, потому что всегда будет что-то сверху и что-то снизу. Этот узел и отсутствие узла — это совершенно две разные топологические вещи. Все неузненные цепочки эквивалентны топологии, независимо от того, какая у них геометрическая форма. Узел-трилистник будет эквивалентен, пока мы его не порвем и тем самым не разорвем цепочку и не сшивая ее опять. Топология одно из основных направлений математики 20 века. Математики весь 20 век занимались изучением топологии и изучении узлов. Проблема в том, как можно различать разные узлы. Мы можем их различать когда их делаем из веревки. Математикам нужно было их различать математически, не на модельном уровне. Теорема о том, как распознавать разные узлы. Наука называется теорией узлов. Это сложная математическая дисциплина. В начале 70-х годов я со своими сотрудниками заинтересовались этой проблемой и применили к этому математическую теорию узлов. Впервые удалось связать эти две совершенно разные науки, наука о ДНК и чисто математическая и абсолютно абстрактная наука об узлах.
Мне очень приятно выступать следом за Фазли, потому что я его очень люблю и уважаю.
Нам удалось решить основную задачу, которая состоит в том, что если я делаю замкнутую цепочку ДНК, у которых имеются два конца, которые мы сводим вместе, делаем кольцо. Возникает вопрос: завяжем мы ее в узел или нет. С какой вероятностью она окажется после этого узлом. Это вопрос интересный, потому что имеет прямое отношение к биологической функции ДНК. Например, когда Бактериофаг лямбда инфицирует клетку (кишечную палочку своего хозяина), то внутри фаговой частицы ДНК линейная, но у нее имеется липки концы, которые позволяют друг с другом слипаться, когда она оказывается в клетке, и тогда она становится кольцевой. Нас заинтересовал вопрос: а если при этом она заузлится, то что при этом будет? Мы подсчитали, что для лямбда ДНК вероятность около половины. Это означает, что если в ней нет механизма, который препятствует этому узлу, то узлы будут образовываться в половине молекул. А если молекула заузнена, то она не может реплицироваться. Например, из бумаги сделать замкнутую цепь с узлом и разрезать вдоль этой бумажной ленты и вы увидите, что они не разойдутся. Они окажутся зацеплены друг за друга. Зацепление — это еще одно топологическое понятие, которое относится к двум цепочкам. Цепочки могут быть зацеплены и не зацеплены. Если у меня нет узла и я делаю кольцевую структуру и ее разрезаю посередине, то я их легко разведу. А если это узел, то не разведу. Получалось, что мы пришли к выводу, что очень странно было бы если бы природа работала так, что половина молекул заражали бы в пустую. Это низкая эффективность. Мы высказали гипотезу, что в клетке существует механизм, который позволяет эти узлы развязывать. Либо препятствовать их образованию, а если она образуются, то их развязывать. Спустя много лет могу сказать, что гипотеза оказалась верной. Нет механизма, который препятствует образованию узлов, но есть механизм, который их развязывает. Статья об этом была опубликована в ведущем журнале. Был открыт новый класс ферментов, который были названы топоизомеразы. Это ферменты, которые меняют топологию ДНК. В дальнейшем выяснилось то, что практически все химиотерапевтические средства, которые существуют, практические все атакуют топоизомеразы. Эти средства используются при лечении рака. Люди не знали в чем механизм их действия и когда начали постепенно начали выяснять, что же они атакуют, то выяснилось, что они атакуют именно эти элементы — топоизомеразы. В чем проблема топоизомеразы? Топоизомераза бывает двух типов. Один режет одиночную цепочку ДНК, другой сразу обе цепочки. Сначала они режут цепочку, потом они проводят другую часть цепочки сквозь образовавшуюся брешь и брешь опять зашивают. Это совершенно удивительный и сложный процесс.

И. МАКСУТОВ: Мы привыкли считать, что ДНК это что-то целое. Во что ничего не вмешивается.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Ее страшно трогать, так как в ней заключена генетическая информация. Если ее сильно трогать, то информацию можно повредить.

И. МАКСУТОВ: Об этом и опасения в генетических испытаниях: «Как же мы что-то потрогаем»?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Без этого клетка жить не может, чтобы все время резать и сшивать. Причина очень простая. Если этого не делать, то линейная и кольцевая ДНК безумно запутаются. Если она очень длинная, то концы не найдешь. Если имеется очень запутанный клубок ниток, то его сложно распутать. Вот и клетка не может этого сделать, у нее нет для этого механизма.

И. МАКСУТОВ: Может быть порезать?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Режут. Проводят другую часть через это и зашивают. Если топоизомеразы выключить, то есть те гены, которые их кодируют, то не будет никакого клеткоудвоения. В удвоении клетки необходимы топоизомеразы, потому что все время нужно ликвидировать топологические сложности, запутанности. Это уязвимое место. Если топоизомераза порвалась и потом что-то ей помешало сшиться обратно, то возникает разрыв. Особенно это трагично в случае двунитевого разрыва. Когда топоизомераза второго типа рвет двойную спираль ДНК, а зашить не может. И тогда возникает двунитевой разрыв, а это для клетки смерть. И оказалось, что широко используемые химиотерапевтические агенты не дают топоизомеразе закончить свою работу. Они позволяют ей порвать и препятствуют зашиванию. Тогда ДНК получается с разрывом, клетка умирает — это нам и нужно. Химиотерапевтический агент, это агент, который убивает клетку. Он убивает именно ту, которая активно делится. Клетка, у которой идет активно процесс репликации ДНК. Этот процесс включает в себя постоянную работу топоизомеразы и в это уязвимое место химиотерапевтические агенты и бьют. Они убивают раковые клетки, так как эти клетки чрезвычайно активно делятся. Обычные клетки не так активны.

И. МАКСУТОВ: Очень интересно, что сначала находится экспериментальное, а потом выясняется, что есть фундаментальное объяснение. Как это развивается дальше? Есть ли различия в исследованиях ДНК и РНК? Исследование нуклеиновых кислот и какое положение имеет полоний?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Очень хороший вопрос. С ДНК началась молекулярная биология и нельзя забывать во всех живых организмах двойная спираль ДНК является генетическим носителем информации. Мы не говорим про вирусы, потому что это не живые организмы, это паразитические и молекулярные комплексы.

И. МАКСУТОВ: Очень специфическая ремарка. Вопрос о том, что такое жизнь? И о границах жизни — это является большим спором.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Я вижу предмета спора. Жизнь — это то, что может себя самовоспроизводить и может автономно развиваться и это только начинается с клетки. Все, что меньше клетки — не является живым. Вирус — это не клетка. Вирус вне клетки, это мертвый комплекс молекул. В вирусах генетическая информация может быть записана самым разным способом. Это может быть: нитевая, кольцевая или линейная ДНК, РНК, нитевая РНК, двунитевая РНК, кольцевая РНК, линейная РНК. Их огромное разнообразие. Все возможности реализуются в случае вирусов. У всех живых организмов вся генетическая информация записана только в виде двойной спирали ДНК. Это фундаментальный факт жизни. Такое внимание в течении всего времени после открытия двойной спирали привлекалось к изучению ДНК. Постепенно роль РНК росла и мы открываем все новые биологические факты, которые говорят о большом значении РНК в жизни организмов. До недавнего временя не было понятия топологии РНК, они всегда были достаточно маленькие, ситуация с запутыванием не возникало, так как они были достаточно маленькие и линейные. 1,5 года назад появилась серия статей про о том, что РНК тоже бывают закрученными в кольцо. Я сразу написал заметку, что должны быть и топоизомеразы тоже РНК. Это не заставило долго ждать. Открыли топоизомеразы, которые меняют топологию РНК. Эти РНК одноцепочечные. Замкнутых в кольцо РНК пока не открыли. Однонитевые РНК, замкнутые в кольцо, оказались широко распространены. Имеются разные гипотезы и в некоторой степени некоторые доказаны, что имеются ДНК и зачем они кольцевые. Скорее всего кольцевые они по тому, что устойчивы в отношении расщепления нуклеазы. Нуклеазы — это ферменты, которые расщепляют нуклеиновые кислоты. Большинство из них делают это экзо нуклеазы, то есть они делают это с конца. Если конец убрать, то целый класс нуклеаз, который обычно расщепляют нуклеиновой кислотой они перестают быть опасными. Поэтому это способ клетки обезопасить эти РНК от расщепления. Факт состоит в том, что они становятся кольцевыми и возникает вопрос о том, заузленны ли они. Все те вопросы, которые обсуждались и активно изучались в последние 40 лет в области топологии ДНК, они становятся теперь актуальными в топологии РНК. Будет ли это связано с классом лекарств, который будут действовать на топоизомеразы, но об этом рано говорить.

И. МАКСУТОВ: Какие темы в этой области сегодня являются наиболее интересными? Чтобы это не выглядело, как что-то старое и давно открытое. Пример с РНК очень хороший. 1,5 когда назад, когда мы с вами беседовали в Бостоне вы очень осторожно высказывались относительно РНК.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Дело в том, что я не помню были ли уже открыты кольцевые РНК, когда мы разговаривали.

И. МАКСУТОВ: Март 2013 года.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Наверняка еще не были открыты топоизомеразы, так как они были открыты совсем недавно. Их открытие привлекло еще больший интерес. Когда выяснилось, что химиотерапевтический агент действует на топоизомеразы, то дальнейшая разработка перешла на другой уровень, потому что стало ясно, что фармацевтическим компаниям необходимо искать те малые молекулы, которые интерферируют с работой топоизомераз. Все эти топоизомеразы известны, как они делают разрывы и сшивания. Все это детально изучено, поэтому поиск новых химиотерапевтических агентов идет более целенаправленно. В области химиотерапии колоссальный прогресс. Он постепенный, но он очень существенный. Новые поколения гораздо более эффективны и направлены. Раньше люди страдали и умирали от того, что были страшные побочные эффекты, когда химиотерапевтический агент убивает здоровые клетки. Это огромная область, где изучаются способы улучшения. Факт состоит в том, что этот процесс огромен.

И. МАКСУТОВ: Что является интересными темами в этой области? Перспективными, важными и обсуждаемыми.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Интересным остается вопрос: «Что делает топоизомераза типа 2?». Мы привыкли к тому, что ферменты — это биологический катализатор, который не смещает химическое равновесие, а только уменьшает потенциальный барьер, то есть ускоряет реакцию. Если я возьму кольцевую ДНК и добавлю к ней топоизомеразу и буду смотреть что же она делает, она приводила бы количество зауженных молекул к равновесию, то есть столько сколько получилась бы согласно теоретическим расчетам, о которых я говорил. Оказалось, что это не так. Оказалось, что топоизомераза, каким-то удивительным образом, развязывает узлы. Она упрощает топологию, а не делает ее равновесной. Это не фермент, в обычном смысле слова, а это молекулярный мотор, который систему уводит от равновесия и этот увод от равновесия означает упрощение топологии. Топоизомераза и нужна для того, чтобы упрощать ситуацию, для чтобы развязывать узлы и распутывать структуры. Вопрос в том: «Как она это делает?». Как этот маленький фермент чувствует топологию?

И. МАКСУТОВ: Они мехмат МГУ не закончили, как они поняли, где отрезать?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Мой любимый ученик Саша Вологодский, который работает в Америке, занимается этим вопросом и обнаружил этот факт. Работая в лаборатории с Ником Казарели в Беркли открыли явление развязывания узлов при помощи топоизомераза типа 2. Саша Вологодский много лет занимается выяснением причин, как это происходит и есть частичное объяснение, которое подтверждено экспериментально. Этот вопрос понят частично.

И. МАКСУТОВ: Работа биофизика в этой области на сколько мокрая и компьютерная? Какое соотношение биологии и математики?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: И то и другое. Это и эксперимент, и хорошо разработанная теоретическая модель. Работая в Москве мы разработали целый ряд компьютерных чрезвычайно эффективных подходов.

И. МАКСУТОВ: Кто здесь ведет: физика, математика или биология? Пока это выглядит так: есть математическая модель, вы решаете этот вопрос интеллектуально и теоретически, а потом биологически вы проверяете, так это или нет. Или наоборот?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: В этой области значительной движущей силой была физико-математическая сторона. Ставились вопросы именно физиками и математиками, и адресовались к биологами и, затем, вместе или отдельно биологи эти вопросы решали. Все эти люди, которые внесли вклад они очень сильно продвинуты, с точки зрения математической области. Например, Джим Вонк, который открыл топоизомеразы. Трудно стать биофизиком окончив биологический факультет, гораздо проще стать биофизиком окончив физический или химический факультет. Когда люди говорят о топологии ДНК, то возникает явление сверхспирализации. ДНК оказывается напряженной из-за того, что она имеет определенную топологию. Есть топология, с точки зрения, зацепления: две цепочки ДНК они зацеплены друг с другом, если ДНК кольцевая, из-за этого возникает напряжение, это приводит к тому что в ДНК возникают необычные структуры, которые без спирализации не возникают. Происходит куча вещей связанных образованием этих структур и их ролью в различных процессах. Это огромная область и здесь очень много разных вопросов, которые продолжают интенсивно изучаться.

И. МАКСУТОВ: Сверх напряженность, сверхскрученность, что дальше? Назовите темами.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Связь с биологическими процессами. Связь с топологией с репликацией. Связь топологии с транскрипцией.

И. МАКСУТОВ: Вы упомянули железный занавес, а до этого упомянули статью в эйчер.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Цель была напечатать статью в русском журнале.

И. МАКСУТОВ: На сколько сложно была публикация в Нейчер? Был слух, что из-за конфликта, русских ученых плохо печатают в иностранных изданиях.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Это ерунда. Я могу заявить с полной 100% гарантией, что это говорят те, кто посылает слабые работы. Я печатался во время холодной войны в различных журналах. Единственные трудности, с которыми я столкнулся — это переправить их из-за железного занавеса туда. Я не говорю о том, что статьи ждали с распростертыми объятьями. Их подвергали рецензированию. Некоторые статьи заворачивали и их приходилось посылать в другие журналы, но это обычный процесс. Абсолютная ерунда думать, что какие-то политические причины могут сказаться на том, как журналы принимают или не принимают статью.

И. МАКСУТОВ: А в чем была сложность переправить статью?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Потому что был железный занавес. Когда мы печатали статью, о которой мы говорили, я работал в институте атомной энергии. Чтобы послать статью, надо было послать в министерство среднего машиностроения на одобрение. Это разрешение ждали 3 месяца. Они не запрещали. Процедура, есть процедура. Это был единственный способ отправки, потому что если ты отправишь по почте, то ее почта не пропустит. Научную статью нельзя было послать по простой почте. Сейчас нет контроля за электронной почтой. А в то время все контролировалось.

И. МАКСУТОВ: Тем более вы получаете отзывы и рецензии.

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Нужно опять 3 месяца ждать, чтобы отправить ответ.

И. МАКСУТОВ: Для того, чтобы стать биофизиком, с чего надо начать?

М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ: Нужно начать с физического или химического факультета. С биологического начинать не советую.

И. МАКСУТОВ: Спасибо за интересный разговор. Спасибо, что пришли.

Всем пока.