Удар по невесомости

Ведущие институты мира включились в эту работу. Учёные лаборатории экстремальной биологии КФУ пытаются решить одну из основных проблем – после долгого пребывания в космосе у человека атрофируются мышцы.
ОБМАН НА ГЕННОМ УРОВНЕ
Июнь 1970 года. Экипаж советского корабля «Союз-9» в составе Андриана Николаева и Виталия Севастьянова устанавливает миро­вой рекорд по автономному полёту, который, к слову, не побит и по сей день. Почти 18 суток без стыковки с орбитальной станцией! Но встреча героев на Земле оказалась неожи­данно тяжёлой. Севастьянов не мог удержать в руках шлем, Николаев лежал неподвижно в кресле – из корабля их выносили спасатели. У Виталия Севастьянова за те 18 суток периметр бедра уменьшился на 7 сантиметров, а голе­ни – на 3. Андриан Николаев в результате того полёта «заработал» два инфаркта, ведь серд­це – главная мышца нашего организма.
При нынешнем развитии технологий лететь на ближайшую к нам планету придётся более полугода. И до сих пор биологический аспект является ключевым препятствием для запуска пилотируемых марсианских миссий. Но Олег Гусев, заведующий казанской лабораторией и ведущий сотрудник Института физико-хими­ческих исследований RIKEN (Япония), полон осторожного оптимизма.
– Сегодня, как и на всём протяжении разви­тия пилотируемой космонавтики, на решение этой проблемы тратится масса усилий. Разра­ботаны программы физических упражнений для космонавтов, находящихся на МКС, кото­рые помогают скомпенсировать потерю мас­сы из-за неиспользования мышц, в том числе с помощью специальных тренажёров. Но для нас – генетиков и молекулярных биологов – интересен другой вопрос: можно ли воздей­ствовать на эти неизбежные атрофические процессы с позиции генетического контроля? Именно этим мы сейчас и занимаемся.
К своей задаче казанцы решили подойти с двух сторон. Первое направление исследова­ний в перспективе позволит оптимизировать тренировки космонавтов. И в этом нашим учёным помогают анализ генного ответа в скелетных мышцах на тренировках и возоб­новившиеся спустя много десятилетий экс­перименты с сухой иммерсией. Сегодня и то и другое проводится на базе Института меди­ко-биологических проблем РАН в Москве.
Уникальный метод сухой иммерсии позво­ляет воссоздать состояние невесомости на Земле, когда волонтёра помещают в безопор­ное пространство, имитирующее отсутствие гравитации, – попросту в ванну с водой, по­крытую специальной пленкой, чтобы кожа не контактировала с жидкостью. Сотрудники казанской лаборатории принимают участие в этом исследовании в части анализа гене­тических данных о том, что происходит в это время с человеческим организмом, какие сиг­налы он получает и какие из них запускают процесс атрофии. Также учёных интересуют и обратные сигналы – те, которые получает организм уже в момент реабилитации, после того, как с ним начинают работать на фи­зиологическом уровне. Такая генетическая экспертиза позволит в дальнейшем разраба­тывать более эффективные тренировочные схемы.
Второе направление Олег Гусев называет «немного футуристическим», но, несмотря на кажущуюся фантастичность, исследование призвано решить проблему более чем карди­нально. А что, если заставить наш генетиче­
ский аппарат думать, что на самом деле ника­кой невесомости и нет, что всё в порядке? Вот уж действительно обман во благо!
– Есть надежда, что в недалёком буду­щем удастся заменить настоящие сигналы определённых рецепторов на некие молеку­лярные фантомы и таким образом заставим клетку работать, как и раньше, выделяя нор­мальный белковый продукт, – поясняет Олег Гусев.
Как это сделать? Ответ на этот вопрос должны дать результаты экспериментов, которые проводят сами казанские учёные. В качестве модельных организмов выступают грызуны – крысы и сони-полчки.
ВКЛЮЧИТЬ И ВЫКЛЮЧИТЬ
Межгалактический корабль «Авалон» не­сёт колонистов с Земли в их новую обитель. Время полёта – 120 лет. На борту – тысячи капсул гибернации с людьми, пребывающими в анабиозе. Ошибка – и одна из них выходит из строя. Она заполняется кислородом, ав­томат делает лежащему в ней мужчине укол с препаратом, стабилизирующим основные жизненные функции. Секунда – и человек за­дышал. Ещё минута – и он на ногах…
Так видят возможности длительных полё­тов фантасты – создатели фильма «Пасса­жиры». К слову, они придумывают и меди­цинскую капсулу с функцией оказания экс­тренной помощи и даже реанимации. Да, на экране далёкое будущее, но многое из этого будущего вершится уже сегодня.
 

Гузель Газизова в лабо­ратории экстремальной биологии выделяет РНК из тканей сонь-полчков. Результаты этого исследо­вания должны помочь в решении проблем атро­фии мышц и в космосе, и на Земле.
 
– Введение человека в искусственную кому, снижение его метаболических процессов с помощью фармацевтического воздействия… Исходя из тех тенденций, которые я сегодня наблюдаю, мне представляется, что развитие таких медицинских технологий сегодня идёт даже быстрее, чем технологий космических, – говорит Олег Гусев. – К тому моменту, когда человечество технически сможет полететь в другие галактики (то есть будут решены во­просы с двигателями, топливом, защитой от радиации), в общем-то, биология как наука и медицина будут готовы принять этот вызов.
Сегодня казанские учёные обрабатывают данные, полученные в ходе эксперимента на крысах. Он был запущен в лаборатории экс­тремальной биологии несколько лет назад. Грызунов помещали в условия микрогравита­ции, приближенные к невесомости: их специ­альным образом подвешивали, разгружая ко­нечности. Далее шёл период восстановления, когда они могли самостоятельно двигаться. Сотрудники лаборатории скрупулёзно отсле­живали все генетические изменения, проис­ходившие в организме крыс на всех стадиях эксперимента. В области исследования атро­фии мышц это была первая комплексная ра­бота в мире. Так появилась и первая генети­ческая цифровая база, детально отражающая все процессы, которые происходят в мышцах на разных этапах атрофии и последующего восстановления.
– У нас, наконец, появляется цельная кар­тина того, что происходит в невесомости с геномом, какие именно гены начинают мути­ровать и выделять «неправильный» продукт, – говорит Олег Гусев. – Мы полагаем, что можно мягко предотвратить атрофические процессы, не нарушая генетическую структу­ру. Для этого нужно работать не с самими ге­нами, а с их включателями и выключателями. Они располагаются на удалении, но при этом от их активности зависит функционирование генов. Считаю, за этим подходом – будущее.
ПОСПИ, СОНЯ!
Уровень умиления зашкаливает при одном только взгляде на этого пушистого зверька. Круглые ушки, чуть выпученные бусинки-гла­за, крупный розовый нос… И не белка, и не мышка – соня-полчок. Эти ловкие зверьки могут прыгать с ветки на ветку, охотятся по ночам, любят жить в дуплах, ютиться в чужих гнёздах и устраивать лежбища… в скворечни­ках! Но, пожалуй, самый удивительный факт о них: сони могут впадать в длительную – до 11 месяцев в году! – спячку, а также умеют бы­стро восстанавливаться после неё. И это про­сто подарок природы для наших генетиков.
Какие механизмы позволяют этим малень­ким зверькам, без всяких тренировок, сохра­нять мышечную массу? Для казанских учёных это настоящий ребус, который они намерены решить с помощью новейших генетических методов и такой же аппаратуры.
– К счастью, человек и сони-полчки от­носятся к одному классу – млекопитающим. И это очень выгодно! – рассказывает Олег Гусев. – Потому что процент того, что оди­наковые гены у нас находятся в одних и тех же местах, высок. А следовательно, разгадав загадку сонь, используя включатели и выклю­чатели конкретных генов, мы приблизимся к решению своей основной задачи.
Гузель Газизова, исполнитель проекта по изучению молекулярных механизмов в зим­ней спячке сонь, проводит для нас неболь­шую экскурсию по лаборатории.
– В Татарстане сони встречаются, но зане­сены в Красную книгу, поэтому наши сони из Волгограда, – поясняет она. – Но зверьков здесь уже нет – все необходимые генетиче­ские данные получены, эксперимент перешёл на стадию их обработки.
Гузель рассказывает, что сони могут впа­дать в спячку не только под воздействием низких температур, но и летом – если почув­ствуют, что условия для них стали неблаго­приятными. Зверьки замедляют свой метабо­лизм, а температура их тела опускается до 4 градусов! При этом они впадают в оцепене­ние, не реагируя на внешние раздражители. Обычно полчки засыпают в октябре, а просы­паются в апреле.
– Если человека, мышь или другое млеко­питающее поместить в условия спячки хотя бы на две недели, в его организме начнут разрушаться определённые белки, – говорит Гузель. – В результате возникнет мышечная слабость, а сами мышцы сократятся в объ­ёмах. Справедливости ради надо отметить, что у сонь эти процессы тоже происходят, но в столь малых объёмах, что это не может привести к каким-либо критическим послед­ствиям.
Так что же позволяет полчкам сохранять мышцы? Одно из предположений учёных – краткие периоды пробуждения во время спячки. В такие моменты у сонь возобновля­ется синтез белка, происходит некая деком­пенсация и восстановление мышц.
– Когда запускается программа пробужде­ния, генетический транскрипционный аппа­рат сонь начинает активно работать и переда­вать сигналы для синтеза белка – так воспол­няются его потери в период обездвиженно­сти, – поясняет Гузель. – Также мы заметили, что во время спячки полчки немного дрожат, то есть в какой-то степени двигаются. И вот эти микродвижения тоже помогают сохра­нять белок, который очень нужен мышцам.
– Мы можем определить ключевые моле­кулы, запускающие в организме сонь те или иные программы. Если говорить об атрофии,
то нас интересуют программы распада. Когда они запускаются у человека или крыс, акти­визируются молекулы, которые начинают утилизировать разрушенный белок. Эти мо­лекулы достаточно изучены, но мы хотим по­смотреть, как они ведут себя у сонь, которые умеют сопротивляться процессу атрофии.
– И это поможет изобрести методы биохи­мического воздействия на человека, – уточ­няю я. – Чтобы, например, космонавт принял лекарство и запустил процесс восстановле­ния собственных мышц...
– …или, наоборот, принял лекарство и не дал процессу атрофии запуститься, – улыба­ется Гузель.
– Знаете, космическая биология существует не ради одного лишь космоса – у неё есть и более амбициозные планы на Земле, – гово­рит Олег Гусев. – Результаты нашего исследо­вания помогут существенно сократить пери­оды реабилитации людей после травм. Или, например, восстановить мышцы пациентов, долго пролежавших в коме… Просто важно помнить, что очень многие эффективные тех­нологии, без которых сегодня человечество не представляет своей жизни, когда-то разра­батывались с целью покорения космоса.

Святая святых лаборато­рии – высокопроизво­дительный секвенатор ДНК. Прибор позволяет «собрать» и проанали­зировать особенности генома грызунов, облада­ющих уникальной сопро­тивляемостью процессам атрофии мышц.
 
 
 
Ольга Туманская