Лаборатория инженерии биополимеров ФИЦ Биотехнологии РАН работает с задачами, связанными с природными полисахаридами и их применением в биотехнологии. Как появилась лаборатория? Какие ключевые разработки у нее есть? Об этом и многом другом объединенной редакции порталов Indicator.Ru и InScience.News рассказал Валерий Варламов, руководитель лаборатории.
— Валерий Петрович, когда и как появилась лаборатория инженерии биополимеров ФИЦ Биотехнологии РАН? С какой задачей она создавалась и как со временем менялись ее название, профиль и структура?
| — Наш коллектив стоял у истоков Центра «Биоинженерия» РАН. В 1989 году вместе с созданием нового института была организована «Лаборатория инженерии ферментов». На первый взгляд связь нашей лаборатории с ферментами может показаться неочевидной, однако основным направлением Центра тогда уже являлась генетическая инженерия растений. Одной из актуальных задач было получение сортов растений, устойчивых к вредителям, в том числе за счет внедрения генов хитиназ — ферментов, разрушающих хитин. В качестве альтернативной стратегии для защиты растений рассматривали обработку полей препаратом, содержащим хитиназы.
Поэтому в первые годы работы лаборатория занималась выделением, очисткой и исследованием ферментов, способных разрушать хитин. В качестве источника ферментов использовали культуральную жидкость Streptomyces kurssanovii. Хитиназы выделяли на сорбентах, разработанных в ИНЭОС РАН. Удалось выделить в чистом виде две хитиназы с молекулярными массами 42 и 26 кДа.
Позднее цикл исследований был посвящен деполимеризации хитозана, включая процессы, происходящие под действием неспецифических ферментов. |
Первый состав лаборатории инженерии ферментов, начало 2000-х. Слева направо, верхний ряд: С.А. Лопатин, Н.Ю. Татаринова, В.П. Варламов, Г.Е. Банникова, А.В. Ильина; нижний ряд: М. Анисимова |
В 2015 году лаборатория получила современное название — «Лаборатория инженерии биополимеров». Оно гораздо точнее отражает ее нынешний профиль: от исследований гидролиза хитина и хитозана мы перешли к более широкому кругу задач, связанных с природными полисахаридами и их применением в различных областях биотехнологии.
С тех пор центральное место в наших исследованиях занимает хитозан — уникальный природный поликатион. Лаборатория осуществляет полный цикл работ: от получения и характеристики хитозана и его производных до разработки прикладных решений на их основе для медицины, сельского хозяйства и биотехнологии.
— Был ли у лаборатории момент «перелома» — проект, результат или партнерство, после которого стало понятно, что вы вышли на новый уровень? Какие работы вы сами называете визитной карточкой подразделения?
На вручении премии Правительства РФ в области науки и техники, 2013г. Слева направо: С.Ф. Антонов, А.И. Албулов, А.Я. Самуйленко, |
— Одним из ключевых проектов для нашей лаборатории стал выпуск препарата «Агрохит» — биостимулятора роста и индуктора устойчивости растений к заболеваниям. Его основой является низкомолекулярный хитозан, полученный методом ферментативного гидролиза. Этот продукт стал важным подтверждением того, что фундаментальные исследования могут приводить к востребованным прикладным решениям. В 2013 году цикл работ по применению хитина, хитозана и препаратов на их основе был удостоен Премии Правительства РФ в области науки и техники.
Среди значимых направлений можно также выделить участие в федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы». Основная задача нашей части проекта, посвященной разработке технологии получения гипоаллергенных функциональных молочных продуктов, заключалась в удалении β-лактоглобулина из молочной сыворотки с использованием хитозана.
Интересное и новое применение для препаратов хитозана было найдено в 2021 году совместно с группой генетической инженерии грибов ФИЦ Биотехнологии РАН и сотрудниками Государственной Третьяковской Галереи. |
Хитозан и его производные проявили себя как перспективные антисептики для темперной живописи. В 2024 году нашими сотрудниками была получена благодарность от Александровской епархии за проведение мероприятий, связанных с успешной обработкой подобранными антисептиками Храма Светлого Христова Воскресения Покровского района Владимирской области, подвергнувшегося биопоражению.
Если говорить о научной визитной карточке лаборатории, то это, безусловно, работы по химической модификации хитозана, включая применение методов клик-химии, а также исследования полисахаридных наночастиц. Результаты этих исследований опубликованы в ведущих международных журналах, таких как Carbohydrate Polymers и International Journal of Biological Macromolecules издательства Elsevier.
— Как сложился ваш путь в науку и к биополимерам: чем вас так зацепили природные полисахариды, как вы оказались в Центре «Биоинженерия» и дошли до позиции заведующего лабораторией?
— Я окончил МИТХТ имени М.В. Ломоносова в 1972 году, защищался на кафедре химии и технологии биологически активных соединений, медицинской и органической химии имени Н.А. Преображенского. Затем продолжил научную работу в ИНЭОС РАН, в лаборатории биополимеров под руководством С.В. Рогожина.
Моя кандидатская диссертация (1976 г.) была посвящена иммобилизованным нуклеазам актиномицетов. В то время одной из важных задач биотехнологии было удаление нуклеиновых кислот при выделении белков из микробиологического сырья. Мы исследовали возможность превращения нуклеиновых кислот в 5’-нуклеотиды — вещества, усиливающие вкус и аромат пищевых продуктов. Основной задачей стала оптимизация гидролиза РНК с использованием иммобилизованных экзонуклеаз.
В.П. Варламов, МИТХТ имени М.В. Ломоносова, студенческие годы |
Фотография из статьи Московского Комсомольца о работе |
Позднее в лаборатории С.В. Рогожина была сформирована отдельная научная группа под моим руководством. В тот период страна стремительно менялась, закрывались старые научные программы, и необходимо было искать новые направления развития.
Большую роль в моей дальнейшей научной судьбе сыграл Константин Георгиевич Скрябин — талантливый и энергичный ученый-биотехнолог. Именно он предложил нашей группе присоединиться к новому научному центру, ориентированному на современные биотехнологии.
 В.П. Варламов за работой, 1980-е годы |
 Стенд Центра «Биоинженерия» РАН на выставке «Картофель 2001»(ВВЦ, Москва, 2001 г.). Презентация стимулятора роста растений |
Моя докторская диссертация (1994 г.) была посвящена хроматографическому выделению ферментов-гидролаз и их применению в биотехнологических процессах. В рамках этих исследований удалось получить водорастворимый хитозан и разработать методы ферментативного получения индивидуальных олигомеров N-ацетилглюкозамина высокой степени чистоты. С этого времени мой научный интерес оказался неразрывно связан с полимерами глюкозамина и N-ацетилглюкозамина.
— Для неспециалиста «биополимеры» звучат очень абстрактно. Если объяснить простыми словами, с какими именно молекулами и задачами вы работаете: это хитин‑хитозан, альгинаты, что-то еще — и зачем вообще инженеру разбираться в их тонкой химии?
— Биополимеры — это фундаментальная основа живой природы. Если говорить упрощенно, практически все ключевые процессы жизни реализуются через полимерные молекулы. Знаменитая цитата Фридриха Энгельса звучит следующим образом: «Жизнь есть способ существования белковых тел…». Однако в этом утверждении довольно грубо упускаются из вида другие природные макромолекулы. Наследственная информация хранится в ДНК, затем передается через РНК и реализуется в белках, а многие структурные и защитные функции выполняют полисахариды. Поэтому роль биополимеров в живых системах трудно переоценить.
Мы работаем прежде всего с хитином и хитозаном — природными полисахаридами, которые обладают уникальными свойствами: биосовместимостью, биоразлагаемостью, способностью связывать белки и ионы металлов.
Но для того чтобы материал действительно работал в конкретной области, будь то медицина, сельское хозяйство или биотехнология, необходимо очень тонко управлять его химической структурой. Именно поэтому инженерия биополимеров требует глубокого понимания химии макромолекул.
— Расскажите про один–два проекта, где вам удалось «скроить» биополимер под конкретную задачу: например, создать материал для медицины, защитное покрытие или носитель для биологически активных веществ. Что в этих историях вам самим кажется самым интересным?
— Одним из наиболее интересных направлений для нас стала химическая модификация хитозана для создания гемостатических материалов. В результате продолжительного исследования-скрининга различных производных хитозана удалось обнаружить соединения с двумя заместителями, которые на донорской крови сокращали время образования сгустка в десятки раз — значительно сильнее, чем исходный хитозан. Эти результаты открывают серьезные перспективы для создания новых эффективных средств остановки кровотечений.
Мы синтезировали кватернизированные производные хитозана, которые могут являться более безопасной альтернативой существующему препарату сульфату протамина. Соединения эффективно нейтрализовали антикоагулянтную активность нефракционированного или низкомолекулярного гепарина.
Нами также получены гидрофобные производные хитозана, которые идеально подходят для капсулирования растительных полифенолов, БАВ и могут защищать эти вещества от агрессивной среды желудка, пролонгировать их действие при пероральном введении.
Наиболее интересным в таких проектах мне кажется возможность буквально «настраивать» свойства природного полимера под конкретную задачу — от взаимодействия с клетками крови до связывания определенных белков или молекул.