Профессор Университета Южной Калифорнии Валерий Фокин – о CuAAC, биоконъюгации и о том, почему в науке важно уметь менять сам вопрос
В конце мая в Томском государственном университете прошёл форум инноваций «Юновус». Одним из его участников стал профессор Университета Южной Калифорнии Валерий Фокин – лауреат премии «Вызов» в номинации «Открытие». Его работы сыграли ключевую роль в развитии медь-катализируемого азид-алкинового циклоприсоединения, известного как CuAAC, – одной из наиболее надёжных реакций для точного соединения молекулярных фрагментов. Эта реакция стала важным инструментом современной химии, биологии и биомедицинских технологий, от химического мечения биомолекул до создания сложных конъюгатов и методов исследования живых систем. В интервью пресс-службе ТГУ Валерий Фокин рассказал о том, как простая химическая идея может стать технологической платформой, почему признание не всегда приходит сразу и какую роль в науке играет интуиция.
Для справки: Термин «клик-химия» был предложен К. Барри Шарплессом для описания реакций, которые позволяют быстро, надёжно и избирательно соединять молекулярные фрагменты. В 2022 году К. Барри Шарплесс, Каролин Бертоцци и Мортен Мельдаль получили Нобелевскую премию по химии «за развитие клик-химии и биоортогональной химии».
Один из ключевых вкладов Валерия Фокина связан с развитием медь-катализируемого азид-алкинового циклоприсоединения — CuAAC. Эта реакция позволяет эффективно соединять органические азиды и терминальные алкины с образованием стабильных 1,2,3-триазолов. Благодаря высокой селективности, устойчивости продукта и совместимости с широким кругом функциональных групп CuAAC стала одним из наиболее востребованных инструментов модульной молекулярной сборки и биоконъюгации. Именно такие реакции позволили химикам по-новому подойти к созданию сложных молекулярных систем: не только синтезировать отдельные соединения, но и точно соединять биомолекулы, метки, лекарственные фрагменты, материалы и диагностические компоненты.
Я мог бы стать врачом
– Валерий, химия для вас – это любовь на всю жизнь. Но если бы вы не стали химиком, кем бы могли стать?
– У меня действительно был выбор между химией и медициной. Медициной я очень увлекался в детстве, и в этом большую роль сыграли мои бабушка и дедушка. Они оба прошли через войну и познакомились уже после её окончания.
Дедушка был провизором от Бога: очень хорошо понимал фармакопею и, наверное, был единственным в семье человеком, который рисовал и понимал молекулы. Моя мама – математик, папа – металлург. Химия им не чужда, но всё же не была для них такой близкой областью.
Бабушка работала в поликлинике и в военном госпитале. Когда родители уезжали, я часто оставался с ней. А когда она была занята, я проводил много времени рядом с врачами – офтальмологами, рентгенологами, хирургами. Для ребёнка это была удивительная среда: много непонятных предметов, приборов, разговоров, ощущение настоящего дела.
Дома я, конечно, много «практиковал» – лечил игрушки. Особенно доставалось плюшевому медведю, набитому опилками. Он, как мне казалось, очень не любил уколы и другие медицинские манипуляции. В итоге большинство игрушек моё лечение пережили плохо.
Чуть позже, в шестом-седьмом классе, я всё больше стал обращать внимание на химию. В ней было больше пространства для эксперимента. В медицине, всё-таки, возможности для опытов ограничены: люди живые. А в химии можно было пробовать, ошибаться, наблюдать превращения вещества буквально своими глазами.
Мне сложно сказать, где мне было бы совсем неинтересно. Склад у меня скорее не гуманитарный, но при этом мне всегда казалась невероятно увлекательной лингвистика –как область на границе точных и гуманитарных наук. Интересно, как язык становится инструментом общения между очень разными людьми, как разные языковые системы влияют на способы описания мира и мышления.
– Вы родились и учились в Нижнем Новгороде. Как вы оказались в Америке? Это были «лихие девяностые»?
– Для меня они, может быть, и не были такими уж лихими. Всё началось с небольшой обменной программы в августе 1991 года. Если помните, путч случился 19 августа, а мы улетели 25-го. Была вероятность, что поездка отменится, но всё же нам удалось выехать. Программа длилась месяц: к нам в Нижний приехали одиннадцать студентов из американского университета, а мы поехали туда.
Нам хотелось посмотреть, как устроена академическая жизнь в США. Нас возили в Чикаго, Вашингтон, Нью-Йорк, Филадельфию. В каждом городе, конечно, было интересно увидеть университеты и исследовательские лаборатории. Тогда я впервые подумал, что было бы здорово поучиться в Америке: даже в университетах, которые не считались крупными исследовательскими центрами, лаборатории выглядели очень хорошо. У нас в начале 1990-х, к сожалению, было сложно с реагентами, оборудованием и многими другими вещами. Хотя я, как человек, выросший ещё в советское время, помню и другой период, когда с наукой в стране было очень неплохо.
Потом я начал искать возможность учиться в аспирантуре. Сначала получилось на год попасть в маленький колледж в Мичигане, а затем я уже целенаправленно искал аспирантуру внутри США. Получил докторскую степень, потом была постдокторская стажировка, затем мне предложили остаться в исследовательском университете. На каждом этапе казалось: это временно. А оказалось – нет.
Для справки: «Вызов» – национальная премия в области будущих технологий, учреждённая Фондом развития научно-культурных связей совместно с Газпромбанком. Ей награждают учёных, инженеров и изобретателей за прорывные разработки с горизонтом практического внедрения до 10 лет. У премии пять номинаций: «Перспектива» – учёные до 35 лет; «Инженерное решение» – технологии и изобретения; «Прорыв» – научные исследования; «Открытие» – международная номинация; «Учёный года» – личный вклад.
Модульность как принцип
– Иногда говорят, что возможности химии во многом исчерпаны: чтобы получать принципиально новые продукты, нужно менять условия, например, сильно повышать температуру или давление. Поэтому новые подходы часто связывают с принципами, которые использует природа. Можно ли сказать, что CuAAC и близкие к ней подходы в каком-то смысле природоподобны?
– Я бы осторожно относился к мысли, что химия исчерпана. Наоборот, химия постоянно находит новые способы управлять сложностью. Но вопрос о природе очень важный. Если посмотреть, как природа создаёт огромное разнообразие молекул, видно, что исходного «строительного материала» у неё не так много.
Около двух десятков основных аминокислот, несколько базовых сахаров и пять азотистых оснований дают огромное множество производных: десятки тысяч белков, большое разнообразие полисахаридов, нуклеиновых кислот и других биомолекул. Как природа это делает? Она использует повторяемые принципы сборки. Белки строятся через пептидные, то есть амидные связи; полисахариды – через гликозидные; нуклеиновые кислоты – через фосфодиэфирные. В каждом случае сложность возникает не из бесконечного числа разных строительных блоков, а из способа их соединения, порядка, архитектуры.
В этом смысле логика модульной молекулярной сборки действительно напоминает природный принцип. Мы не копируем природу буквально: функциональные группы, которые используются в CuAAC, не являются природными. Но стратегия похожа: из относительно небольшого набора фрагментов и надёжных реакций можно получать большое разнообразие структур. Это и делает такие реакции полезными – они дают химикам способ соединять сложные фрагменты точно, избирательно и предсказуемо.
Молекулярная точность в биологии и медицине
– Какие задачи способны решать такие методы молекулярной сборки и где они уже дают результаты? Какой пример применения вы считаете особенно значимым?
– Эти подходы используются в самых разных областях – от материаловедения до биологии. Но с точки зрения остроты задач особенно важны диагностика, изучение живых систем и создание новых терапевтических технологий. Я бы говорил не о том, что одна реакция «спасает жизни», а о том, что точные методы химического соединения молекул стали частью технологий, которые сегодня реально работают в медицине.
Один из ярких примеров – таргетные лекарственные конъюгаты, в том числе на основе антител. В таких препаратах антитело выполняет роль «наводчика»: оно распознаёт определённую молекулярную мишень на поверхности опухолевой клетки. К антителу присоединён цитотоксический фрагмент – молекула, которая должна уничтожить клетку-мишень. Для таких систем принципиально важна химическая точность: нужно правильно соединить биологическую молекулу и лекарственный фрагмент, обеспечить стабильность конъюгата в кровотоке и высвобождение активного вещества там, где это необходимо.
В качестве примера можно назвать Trodelvy, препарат для лечения ряда агрессивных онкологических заболеваний, включая тройной негативный рак молочной железы. В нём моноклональное антитело направляет лекарственный компонент к клеткам, несущим белок Trop-2. Здесь важна не рекламная формула, а сама логика современной химической биологии: точное соединение молекулярных фрагментов позволяет создавать сложные терапевтические системы, которые действуют значительно более избирательно, чем классическая химиотерапия.
Другой важный пример – химическое мечение биомолекул. Например, для визуализации синтеза ДНК в клетке можно использовать аналог тимидина – 5-этинил-2′-дезоксиуридин, EdU. Он встраивается в новую синтезируемую ДНК, а затем с помощью флуоресцентной метки и реакции CuAAC можно увидеть, где в клеточном ядре образуются новые нуклеиновые кислоты.
Подобные подходы стали частью более широкой технологической культуры работы с нуклеиновыми кислотами: химическая привязка олигонуклеотидов к поверхностям, мечение, стандартизация реагентов, создание платформ для анализа ДНК и РНК. В технологиях секвенирования нового поколения важна не только биология, но и химия поверхности, химия модифицированных нуклеотидов, химия распознавания и считывания сигнала. Надёжные реакции соединения молекулярных фрагментов сыграли в этой области значительную роль.
– Одна из глобальных проблем человечества – резистентность бактерий к антибиотикам. Можно ли использовать методы биоортогональной химии для изучения или преодоления этой проблемы?
– Я бы сформулировал вопрос именно так: не «обмануть бактерии», а получить новые инструменты для изучения и, возможно, создания молекул с необычными свойствами. Проблема антибиотикорезистентности чрезвычайно сложна, и было бы неправильно обещать, что один химический подход её решит.
– Есть довольно любопытная философско-антропологическая мысль: можно ли остаться лишь наблюдателем в обществе, в какой-то среде, если ты в неё внедрился?
– Если ты являешься частью какого-то процесса, то уже не можешь быть совершенно незамеченным наблюдателем. Возникает вопрос о том, как будучи частью системы, оставаться неприметным. С молекулярной точки зрения, с точки зрения химии, ответ очевидный: нужно использовать те соединения, которые «невидимы» для природы, то есть для бактерии.
У биоортогональной химии есть важное свойство: она позволяет работать с молекулами и функциональными группами, которые слабо вмешиваются в естественные биологические процессы. Это даёт возможность наблюдать за системой, маркировать отдельные компоненты, отслеживать движение молекул или изменения в клетке, не разрушая сам объект исследования.
С молекулярной точки зрения это похоже на очень аккуратного репортёра с места события: он присутствует, но старается не изменить ход происходящего. Такие молекулярные метки обычно малы, химически избирательны и достаточно «незаметны» для сложной биологической среды.
Кроме того, методы модульной сборки позволяют создавать структуры, которые природа раньше не встречала. Предсказать заранее, будут ли такие соединения обладать нужной активностью, сложно. Но именно возможность быстро и точно собирать серии родственных молекул помогает исследователям проверять гипотезы, изучать механизмы действия и искать новые направления, в том числе в области противомикробных препаратов.
Формулы успеха нет
– Сколько времени прошло от открытия до превращения нового знания в технологию? И было ли тогда понятно, что вы с коллегами стоите на пороге большого открытия?
– В 2003 году мы показали один из первых примеров биоконъюгации: продемонстрировали, что можем с высокой точностью модифицировать нужные молекулы в биологической среде с помощью медного катализатора и аскорбата. Большого восторга это сначала не вызвало.
Некоторые журналисты и редакторы восприняли работу скептически: реакция казалась слишком простой, чтобы быть по-настоящему интересной.
Но именно в этом и была её сила. Иногда важное открытие выглядит не как сложная конструкция, а как очень простое решение, которое вдруг начинает работать там, где раньше ничего не работало достаточно хорошо.
Скептически относились и некоторые рецензенты грантовых заявок. Нам говорили, что использовать соединения меди в биологической среде невозможно, что это тупиковый путь. Но в науке лучший способ ответить на такой скепсис – не спорить абстрактно, а показать эксперимент.
Наши коллеги, с которыми мы активно взаимодействовали, использовали этот подход для мечения бактериальных клеток, что позволило визуализировать клеточную мембрану и другие структуры. Позже появились ещё более яркие примеры.
Например, можно отслеживать биосинтез белков в нейронах. Культуру нейронов млекопитающих выращивают в чашках Петри и подкармливают аминокислотой L-азидогомоаланином. Она похожа на метионин, поэтому клеточные механизмы встраивают её во вновь синтезируемые белки. Затем возникает вопрос: можем ли мы увидеть, где эти белки образуются?
Оказалось, что можем. С помощью соответствующего химического мечения можно в течение часа увидеть, как новый белок появляется в нейроне: сначала в теле клетки, затем в аксонах и дендритах. Это открывает возможность изучать очень тонкие и динамичные процессы, в том числе связанные с ранними стадиями нейродегенеративных заболеваний. Сегодня такие подходы уже стали частью исследовательской практики.
– То есть признание запоздало на пару десятков лет?
– Я бы не стал слишком переживать о признании. В науке оно редко приходит тогда и в той форме, в какой его ждут. Мне близка мысль: удивительно, как много можно сделать, если не думать всё время о том, получишь ли ты немедленное признание.
История науки обычно пишется тихим языком; языком экспериментов, методов, воспроизводимости, применения. Премии важны, но настоящее признание для научной работы – это когда другие люди начинают пользоваться твоим результатом. Когда метод входит в лаборатории, технологии, учебники, клинические или промышленные процессы. Это, пожалуй, самая убедительная форма признания.
– Что помогает делать настоящие научные открытия? Почему к одному человеку успех приходит, а к другому при таком же количестве усилий – нет? И может ли в этом помочь искусственный интеллект?
– Формулы успеха нет, его невозможно запрограммировать. Одна из важных составляющих научного открытия – интуиция. Но интуиция в науке – это не магия. В её основе обычно лежит профессиональный опыт, годы наблюдений, ошибок, попыток, глубокое погружение в предмет.
Я ни в коем случае не умаляю значения искусственного интеллекта. Он может быть очень полезен: помогает анализировать большие массивы данных, видеть корреляции, предлагать варианты, искать закономерности. Но важно помнить, что алгоритм работает с тем пространством данных, которое ему доступно. А в химии и биологии это пространство часто неполное, неоднородное и не всегда качественное.
Интеллект – это всё же мы, и прежде всего, молодые учёные, которые придут нам на смену. Человек способен не только обработать данные, но и изменить постановку задачи. Иногда настоящее продвижение начинается не тогда, когда мы быстрее отвечаем на старый вопрос, а когда задаём вопрос немного иначе. Оцифровать интуицию пока невозможно, поэтому по-прежнему важны опыт, внимательность, вкус к эксперименту и готовность увидеть в неожиданном результате не ошибку, а возможность.
– Что бы вы посоветовали студентам и молодым учёным, которые занимаются наукой?
– Поскольку я эволюционист, я верю в то, что ошибки можно делать и на них нужно учиться. Не надо бояться заниматься любимым делом. Хорошее образование должно давать человеку пространство для ошибки – без немедленного наказания, без страха, что один неудачный опыт всё разрушит.
Главное – хорошо учиться, глубоко погружаться в предмет и не бояться спотыкаться и падать. Когда вы были маленькими, вы быстро поднимались и шли дальше. Если мама не бросалась к вам сразу, вы часто даже и не плакали. В науке мама уже не придёт. Поэтому падайте, поднимайтесь – и продолжайте заниматься своим делом.
Источник: пресс-служба ТГУ