Инертные газы блокируют работу нейронов на уровне липидной мембраны и белка

Данные показали, что инертные газы мешают работе ионных каналов (белки обеспечивают обмен клетки с  окружающей средой веществом, энергией и  информацией). Пузырьки газа блокируют активность нейронов (клетки) на  уровне липидной мембраны и  встроенного в  нее белка. При определенных условиях тяжелые инертные газы окружают белок и  производят анестетический эффект (усыпляют человека), а  легкие «раздувают» мембрану, нарушая электрическую активность и  вызывают повышенную возбудимость центральной нервной системы  — так называемый Неврологический синдром высоких давлений. Полные результаты исследования представлены в  журнале Scientific Reports.

«Существуют разные теории, но  ученые до  сих пор не  могут сказать наверняка, что происходит на  молекулярном уровне с  мозгом человека под действием анестезии или, к  примеру, даже алкоголя,  — говорит Евгений Москович. —  Из  всех анестетиков с  химической точки зрения самые простые  — инертные и  двухатомные газы. Даже азот, который всегда есть в  воздухе, может усыпить человека при абсолютном давлении в  четыре атмосферы».

Исследование крайне актуально с  точки зрения применения клинической анестезии, а  также в  работе профессиональных водолазов (кислород и  азот на  глубине опасны для человека). Если ученым удастся на  молекулярном уровне выявить, почему человек засыпает под воздействием инертных газов или, к  примеру, азота, они поймут, как функционируют нейроны. Для этого Евгений Москович хочет просчитать функционирование газа и  белка на  длительном промежутке времени и  в  большем масштабе.

«Мы  увидели, что пузырьки газа по-разному распределяются на  молекуле. Однако белковая структура не  сильно меняется, значит, функция анестезии не  есть что-то статичное, что можно увидеть одним кадром; а  мы  процесс моделировали на  долях микросекунды,  — рассказывает ученый. —  Так как по  одной молекуле сложно судить, нам надо постепенно увеличивать размер симуляционного ящика, чтобы захватить как можно большую часть всего нейрона».

В  планах Московича  — исследовать группы молекул в  мембране нейронов: как они взаимодействуют между собой в  процессе анестезии, чтобы достоверно понять и  описать суть процесса.

На  проведение исследований он  получил два гранта РФФИ (декабрь 2019 и  февраль 2020). По  первому будет продолжена тематика инертных газов, по  второму (выиграли с  японским коллегой Митсухиро Ибара из  MANA International Center for Materials Nanoarchitectonics) предполагается компьютерное моделирование для разработки полимеров с  памятью формы для медицинских приложений.

«Оба проекта объединены общей тематикой Complex Biological Interface, потому что изучаются процессы на  границах различных сред (фаз)  — биологическая мембрана/полимерная среда и  белковые молекулы,  — поясняет Евгений Москович. —  Второй проект направлен на  исследования по  разработке технологии синтеза инновационных полимерных материалов с  памятью формы на  основе поликапролактона. Это уникальные материалы, у  которых коэффициент деформации 4–5. Это означает, что, к  примеру, шарик в  пять сантиметров можно растянуть до  25, отпустить, и  он  снова вернет оригинальную форму».

Память формы важна потому, что на  полимерной сетке выращивают живые клетки. Эта матрица помогает регулировать рост клеток и  создавать необходимую форму. Она также нужна, чтобы клетки могли взаимодействовать между собой и  образовывали живую ткань. Такие материалы открывают уникальные возможности в  области биоинженерных технологий: транспортировка лекарств, системы заживления ран, выращивание новых органов. По  сути, это медицина XXI  века.

«Уже сейчас есть возможность выращивать мочевой пузырь из  здоровых клеток пациента. Заменять, к  примеру, орган, пораженный раком, на  выращенный на  его  же клетках на  полимерной матрице,  — поясняет Москович. —  В  перспективе 10–20  лет, наверное, можно будет выращивать и  такой сложный орган как печень или легкие. У  Митсухиро Ибара замечательные результаты, и  мы  должны ему помочь нашими методами. Усилиями научных групп со  всех точек мира медицина выйдет на  новый уровень, и  здесь должен быть наш скромный вклад, мы  должны постараться поучаствовать в  этом».

Вычислительную работу по  обоим проектам Евгений будет проводить на  суперкомпьютерах в  УрО РАН (кластер УРАН). К  проектам он  планирует привлекать молодых ученых.

«Как пойдет работа в  УрФУ, во  многом зависит от  того, сколько молодых людей я  смогу привлечь к  работе. Я  хочу собрать команду. Пусть это будут студенты бакалaвриата релевантных факультетов с  минимальным опытом в  научной работе, не  страшно. Потом они могут идти с  нами дальше,  — рассказывает исследователь. —  У  них есть возможность пройти стажировки в  Японии, в  Канаде с  вполне приличной зарплатой. Я  не  призываю эмигрировать. Я  говорю, что можно активно включиться в  работу, поучиться там и  вернуться сюда специалистом, как это сделал  я, получив степень PhD  в израильском технологическом институте  — Technion и  пройдя стажировки постдоком в  США и  в  ЮАР, в  университетe Кэйптауна».

В  планах ученого на  2020-й и  следующие годы  — определить на  молекулярном уровне механизмы наркоза инертными газами и  неврологического синдрома высоких давлений. Кроме того, предполагается пронаблюдать механику полимера и  полимерных волокон на  нано уровне.