Кальмары против химического оружия

Группа ученых из университета штата Теннесси (США) под руководством Джереми Смита при участии коллег из французской Национальной лаборатории в Гренобле приблизилась к созданию лекарства, которое смогло бы нейтрализовать химическое оружие нервно-паралитического действия («Journal of Physical Chemistry B», 2014, 118, 17, 4479—4489, doi: 10.1021/jp410422c). Это будет профилактический антидот для зарина — сильнейшего отравляющего вещества.

Фосфорорганическое отравляющее вещество, получившее название «зарин», случайно открыли в 1938 году ученые печально известного немецкого химического концерна «IG Farben», пытавшиеся получить более мощные препараты для сельского хозяйства. Зарин, или изопропиловый эфир метилфторфосфоновой кислоты — жидкость без цвета и запаха или со слабым приятным запахом, растворимая в воде и органических растворителях. В приземном слое воздуха, в ясную погоду, при скорости ветра 2—4 м/с, облако зараженного воздуха может распространяться на 40 километров от места применения. Поражение происходит через кожу, органы дыхания, конъюнктиву и органы пищеварения. Достаточно всего одной минуты при концентрации 0,075 мг/л в воздухе, чтобы на поле боя больше никого не осталось. Зоман — бесцветная жидкость, имеющая приятный аромат яблок и свежескошенного сена, — токсичнее зарина в 2,5 раза, поэтому для летального исхода достаточно концентрации паров всего 0,03 мг/л при действии их на органы дыхания в течение минуты. Зоман — это также сложный эфир метилфторфосфоновой кислоты, и его специально синтезировали в 1944 году в Германии как боевое отравляющее вещество.

Хотя Конвенцию о запрещении химического оружия в 1993 году подписали 162 государства и уничтожение отравляющих веществ в этих государствах идет строго по графику, случаи применения нервно-паралитических газов есть в новейшей истории: бомбардировка Халабджы в Северном Иране в 1988 году, теракт в токийском метро, организованный сектой Аум Синрике в 1995 году (погибли 12 человек, 5000 получили тяжелое отравление зарином), в августе 2013 года ракеты с зарином разорвались в окраинах Дамаска в Сирии (погибло 1429 человек).

Зарин и зоман необратимо блокируют фермент ацетилхолинэстеразу, который катализирует гидролиз нейромедиатора ацетилхолина в синаптической щели и переводит клетку в состояние покоя (например, расслабляет мышцы). Если ацетилхолинэстераза не работает, то очень быстро наступает перевозбуждение, судороги сердечной мышцы и дыхательной мускулатуры. Команда Смита работает с ферментами, которые способны нейтрализовать зарин. Изначально их обнаружили у европейских кальмаров Loligo vulgaris, хотя не вполне понятно, зачем этим маленьким животным ферменты с такими свойствами. Добывать белок из кальмаров, конечно, необязательно: ген, найденный у кальмара много лет назад, был встроен в геном бактерий, которые и нарабатывают его в нужном количестве.

Для исследований фермента нужно, скорее всего, не очень много, поскольку лаборатория Джереми Смита специализируется на компьютерном моделировании и эксперименты проводит виртуально. Эксперимент действительно сложный, ведь любые исследования химического оружия требуют строжайшей техники безопасности и предосторожностей. Кстати, именно за подобные многоуровневые виртуальные модели в 2013 году была присуждена Нобелевская премия по химии (а Мартин Карплюс, один из лауреатов, был научным руководителем Смита). Исследователи получили трехмерное изображение фермента и с помощью компьютерного эксперимента поняли, как именно он разрушает зарин. Сейчас они бьются над тем, чтобы сделать фермент, во-первых, еще более активным, а во-вторых, чтобы иммунная система человека не реагировала на него как на чужеродный объект. Джереми Смит полагает, что аналогичный подход можно будет использовать для создания новых лекарств, например некоторых противораковых препаратов.

Противоядия от зарина в принципе существуют, но, поскольку зарин может убить человека за считанные минуты, применить их успевают далеко не всегда. Именно поэтому химики думают о профилактических препаратах как о наиболее эффективном способе спасения. Ученые еще очень далеки от клинических испытаний, но сама идея такой защиты людей, хоть и на ограниченное количество времени (например, неделю), — очень привлекательна. «Мы надеемся, что профилактическое введение таких биоочистителей сделает использование химического оружия нервно-паралитического действия гораздо менее привлекательным для воюющих сторон», — говорит Джереми Смит.

Молекула зарина, прикрепленная к ферменту кальмара