Профессор А.Г. Ткаченко: "Отдаю приоритет эксперименту"

Александр Георгиевич Ткаченко — один из тех ученых, чей научный интерес реализуется в эксперименте. Он никогда не стремился к скорой славе, и все его «трофеи» имеют совершенно конкретное выражение в копилке достижений отечественной микробиологии. Накануне Дня российской науки ему была присуждена премия Пермской области имени выдающихся ученых Прикамья I степени за цикл работ по проблеме «Механизмы адаптации микроорганизмов к стрессу». А.Г. Ткаченко — заведующий лабораторией адаптации микроорганизмов Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, доктор медицинских наук, профессор кафедры микробиологии и иммунологии ПГУ, действительный член Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. В 1993 г. – стипендиат конкурса Д.Сороса, с 1994 по 1996 – стипендиат государственной стипендии ученым России. Награжден Почетной грамотой президента Российской академии наук. Автор 110 публикаций и двух изобретений.

   — Александр Георгиевич, организм человека и животного несопоставимо сложен по сравнению с бактерией. Можно ли рассматривать микроорганизмы как модель тех процессов, которые происходят на клеточном уровне у высших организмов?
   — Любой организм — это, выражаясь языком классика, единство и борьба противоположностей. С одной стороны, он должен постоянно эволюционировать, то есть изменяться, чтобы более адекватно приспособиться к окружающей среде, с другой — быть достаточно консервативным, чтобы сохранить те положительные качества, которые были приобретены в ходе эволюции, и закрепить их в потомстве. 

Следует отметить, что многие механизмы жизнеобеспечения, которые формировались уже на доклеточном уровне, а затем и в одноклеточных организмах, в дальнейшем эволюционно закрепились в клетках высших организмов, в том числе человека и животных. Сюда относятся и те молекулярные механизмы адаптации к стрессу, которые являются предметом наших исследований. В этих механизмах также во многом сохранились черты сходства между клетками микроорганизмов и высших организмов. Достаточно сказать, что, например, хорошо известные белки теплового шока, которые обеспечивают адаптацию клетки к температурным воздействиям, не только имеют многие черты сходства в клетках микроорганизмов и человека на функциональном уровне, но даже близки по своему молекулярному весу. Микроорганизмы представляют собой очень удобную модель для исследования адаптивных механизмов, поскольку их можно вырастить до очень высокой плотности биомассы в течение довольно короткого промежутка времени и, соответственно, выделить в достаточном количестве даже те вещества, которые содержатся в клетке в самых минимальных количествах. Описанные с помощью этой модели фундаментальные закономерности если и не могут быть «один к одному» перенесены на клетки высших организмов, то, во всяком случае, могут служить хорошим стимулом или, если хотите, путеводителем для проведения аналогичных исследований на клетках высших организмов.     

— Слово «стресс» уже прочно обосновалось в нашем обиходе, а что понимается под стрессом у микроорганизмов?

— Термин «стресс» в переводе означает «напряжение» и впервые был предложен выдающимся канадским патофизиологом Селье в середине 30-х годов прошлого столетия. Под этим термином Селье понимал совокупность неспецифических адаптивных реакций, которые формируются в организме человека в ответ на самые разнообразные неблагоприятные воздействия, такие как травма, хирургическое вмешательство, интоксикация, эмоциональный шок и другие. Таким образом, понятие стресса включает в себя две основных составляющих: повреждающее воздействие и ответную реакцию организма, которая завершается формированием состояния адаптации. 

Относительно микроорганизмов понятие «стресс» стало применяться значительно позднее, но в принципе в него вкладывается сходный смысл. В микробиологии этот термин часто используют упрощенно, для обозначения характера неблагоприятного воздействия. Скажем, «температурный стресс», или, как его еще называют, «тепловой шок» — это воздействие повышенных температур на клетку микроорганизма, тогда как термин «ответ теплового шока» используется для обозначения комплекса приспособительных реакций к тепловому шоку.

— Исходя из вашей гипотезы, связанной с целым циклом работ, удостоенных премии, для объяснения стрессорной адаптации микроорганизмов большое значение имеют механизмы сопряжения энергетического и конструктивного обмена. Не могли бы вы коротко изложить их суть?

— Еще со школьной скамьи мы знаем, что одним из признаков жизни является постоянный обмен веществ между организмом и средой или, выражаясь научным языком, метаболизм. Организм должен получать извне питательное вещество или субстрат, расщепляя который, он получает энергию в форме, используемой для удовлетворения всех потребностей организма. Основными ее видами являются известный всем АТФ, аденозинтрифосфат, и электрохимический потенциал протонов. С другой стороны, продукты расщепления субстратов выбрасываются в окружающую среду. Комплекс биохимических реакций, в результате которых в организме образуется энергия, принято обозначать термином «энергетический обмен». В свою очередь «конструктивный обмен» представлен главным образом реакциями биосинтеза, использующими эту энергию для построения компонентов клетки, таких как белки, нуклеиновые кислоты, липиды, или жиры, аминосахара, и другие.

Если уподобить метаболизм клетки часовому механизму, то энергетический и конструктивный виды обмена можно представить в виде двух относительно больших шестеренок, которые связаны между собой посредством третьей, небольшой по размеру, отражающей запас энергии в клетке в ее свободной, неиспользованной форме. В нормальных условиях все шестеренки механизма плотно подогнаны друг к другу или, как говорят, сопряжены и вращаются согласованно с большой скоростью. При этом подавляющая часть энергии, образующейся в энергетическом метаболизме, используется в биосинтетических реакциях конструктивного обмена. Скорость превращения энергии в этом случае настолько велика, что ее запас в клетках, например, такого микроорганизма, как кишечная палочка, может быть полностью исчерпан в течение долей секунды.

Проведенные в нашей лаборатории системные исследования энергетических параметров микроорганизмов в самых различных физиологических состояниях показали, что совершенно по-другому дело обстоит в стрессовых ситуациях. При некоторых видах стресса, таких как азотное голодание, осмотический шок, тепловой шок происходит избирательное торможение реакций конструктивного обмена, тогда как, в силу некоторой «инерционности» метаболических процессов, реакции энергетического обмена некоторое время продолжают функционировать, что приводит к резкому возрастанию запаса энергии в организме или, как говорят, возрастанию энергетического состояния клетки. Мы пришли к выводу, что эту избыточную энергию можно рассматривать как один из возможных сигналов стресса, поскольку, в силу очень высокой скорости ее превращения, отклик на стрессовое воздействие — практически мгновенный. 

Другие виды стресса, например, углеводное голодание, кислотный шок, анаэробиоз в первую очередь тормозят энергетический обмен, что приводит к резкому исчерпанию энергии и формированию уже другого сигнала стресса — пониженного энергетического состояния клеток. Во всех этих случаях нарушается нормальное сопряжение метаболизма, «шестеренки часового механизма» начинают прокручиваться относительно друг друга. И что же, на этом жизнь клетки прекращается? Нет, микроорганизмы научились приспосабливаться к этим условиям или, иными словами, они нашли способ связать нарушенное сопряжение обмена. А мы в свое время поставили перед собой цель поиска тех механизмов, с помощью которых клетки в стрессовых условиях решают эту задачу.

— И каких успехов вам удалось достичь на этом пути?

— Мы начали с того, что задумались, какие системы клетки, в первую очередь связанные с конструктивным обменом, могли бы откликнуться на энергетический сигнал стресса. Наше внимание привлек такой класс соединений, как полиамины, которые распространены среди всех форм живых организмов, от вирусов до организма человека и животных. Это универсальные клеточные регуляторы, без которых любой биосинтетический процесс, будь то синтез ДНК, РНК или белка, затруднен или невозможен. Исходя из этого, мы решили в первую очередь исследовать, влияет ли повышенный энергетический статус стрессированных клеток на активность системы синтеза полиаминов. Нам удалось показать, что энергетический сигнал стресса оказывает стимулирующее воздействие на активность ключевого фермента данной системы, орнитин декарбоксилазы. В условиях стресса это приводит к повышенной выработке полиаминов, которые стимулируют конструктивный обмен, восстанавливая нарушенное сопряжение и приспосабливая клетки к новым условиям. 

Последующий, наиболее трудоемкий и длительный этап наших исследований, продолжающийся по настоящее время, связан с выяснением молекулярных механизмов, с помощью которых полиамины стимулируют приспособительные реакции микроорганизмов. Эти соединения участвуют в переносе в клетку тех веществ, которые необходимы ей для защиты от вредных воздействий среды. Они вызывают изменения свойств ДНК в направлении усиления работы генов, чьи продукты (ферменты) приспосабливают клетки микроорганизмов к стрессу. Они защищают ДНК от повреждающего воздействия вредных соединений (свободных радикалов), вызывают снижение частоты мутаций и способствуют выживанию микроорганизмов в неблагоприятных условиях среды.

— Ваши исследования имеют какое-либо практическое применение?               

— Уже на начальном этапе мы разработали высокочувствительные методы измерения таких соединений, как АТФ и другие нуклеотиды, а также полиаминов, на которые получены авторские свидетельства об изобретении. Благодаря этим методам можно определять названные соединения в биологических жидкостях организмов человека и животных. Адениловые нуклеотиды (АТФ, АДФ, АМФ) используются как диагностические факторы при заболеваниях сердечно-сосудистой системы и инфаркте миокарда, а полиамины являются одним из показателей развития опухолей. Наши методы применяются в ходе хоздоговорных работ с кафедрами Пермской медицинской и сельскохозяйственной академий.            

— Какие публикации преобладают в списке ваших научных  работ?

— Для меня абсолютным приоритетом в реализации научных результатов является хорошая экспериментальная статья в престижном журнале, отечественном или зарубежном. Большинство моих статей опубликовано, конечно, в отечественных академических журналах «Микробиология» и «Биохимия». Отрадно заметить, что наши статьи признавались лучшими статьями года в обоих этих журналах. Есть публикации и в зарубежных журналах, таких как  «Archives of Microbiology», «Current Microbiology», причем написанные в стенах нашей лаборатории, без участия иностранных соавторов. 

— Александр Георгиевич, что привело вас в фундаментальную науку?               

— Еще в школьном возрасте мне попалась на глаза книга Поля де Крайфа «Охотники за микробами». Микробиология настолько меня увлекла, что я решил поступать в медицинский институт. Окончание учебы совпало с организацией в нашем городе первого академического учреждения биологического профиля — Отдела селекции и генетики микроорганизмов, который возглавлял тогда молодой профессор Роберт Алексеевич Пшеничнов, сын Алексея Васильевича, лауреата государственной премии, читавшего нам основной курс микробиологии в мединституте. Мне как выпускнику, с отличием окончившему институт, было предложено почетное право поступления в аспирантуру. С тех пор моя трудовая деятельность связана с фундаментальной наукой и с нашим институтом.

— Какие чувства вы испытываете в связи с награждением премией?                 

— Я очень рад, что результаты моей деятельности получили признание. Думаю, что моя научная работа будет продолжаться после получения премии так же, как она шла до сих пор. А полученную награду рассматриваю как «радости скупую телеграмму», которые мы иногда получаем от жизни.

Подготовила 
О. СЕМЧЕНКО, г. Пермь