Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: Миметик-К
Направление НПИ: 4. Космическая биология и биотехнология
Секция КНТС: 1. Космическая биология и физиология
Наименование эксперимента: Антиидиотипические антитела как миметики адьювантноактивного гликопротеида
Цель эксперимента:

Кристаллизация антигенсвязывающего фрагмента анти- идиотипического моноклонального антитела к глюкозаминилмурамилдипептиду с последующим получением данных для направленного создания новых лекарственных препаратов и вакцин.

Описание эксперимента:

Создание новых эффективных лишенных побочных явлений лекарственных препаратов прогнозируется методами молекулярного моделирования фармакологически активных соединений, соответствующих биологической мишени организма. Без рентгеноструктурных данных о пространственном строении таких мишеней молекулярное моделирование лишается смысла. Следовательно, внедрение современных подходов к созданию эффективных лекарственных препаратов требует наличия препаратов в кристаллическом виде. Работа эта сдерживается тем, что большинство мишеней является веществами белкового характера, обладающими большой молекулярной массой, которые в земных условиях получить в виде высококачественных кристаллов требуемых размеров трудно, а в ряде случаев практически вообще не удается.

Одним из способов определения третичной структуры белков является их кристаллизация с последующим анализом их структуры. Признано, что условия космического полета для кристаллизации некоторых белков являются более оптимальными, чем на Земле из-за уменьшения в условиях близких к невесомости влияния конвекционных явлений, что позволяет получать более качественные кристаллы белков большего размера по сравнению с получаемыми на Земле.

Объектом исследований КЭ "Миметик" являлся 15-членный олигопептид, названный Миметик, имитирующий глюкозаминилмурамилдипептид (ГМДП) – иммуномодулятор, на основе которого создан отечественный лекарственный препарат Ликопид. ГМДП – гликопептид, который является фрагментом клеточной стенки практически всех бактерий. Одно из его биологических свойств – это адъювантная активность, т.е. способность неспецифически усиливать иммунный ответ на различные антигены.

Исследования были направлены на создание вакцин к опасным микроорганизмам, в которых вакцинация производится не возбудителем, а анти-идиотипическим антителом.

Для получения кристаллов белка применялся метод диффузии компонентов высаживающих агентов через газообразное состояние в варианте "висячей" капли.

Новизна эксперимента:

Получены десятки анти- Id моноклональных антител (МА) к различным объектам, однако до настоящего времени остается малоизученным вопрос, каким образом полипептидная цепь анти-Id может имитировать структуру небелкового лиганда, в частности, углеводных остатков. Ответ на этот вопрос можно получить, изучив пространственную структуру активного центра такого анти- Id и сравнив ее со структурой соответствующего лиганда. Решение подобной задачи важно не только для фундаментальной науки, но и для практических целей направленного создания на основе анти-Id МА новых лекарственных препаратов и вакцин. Созданный на основе ГМДП новый лекарственный препарат "Ликопид" обладает широким спектром показаний к применению, однако препарат не лишен побочных эффектов. Полученное в лаборатории иммунохимии ИБХ им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН уникальное анти-Id антитело к ГМДП, обладающее способностью имитировать биологическое действие последнего, может быть использовано для создания иммуномодулятора второго поколения, лишенного недостатков ГМДП. Это может быть достигнуто методами белковой инженерии путем направленной модификации активного центра анти-Id антитела. Первым этапом на этом пути является установление пространственной структуры активного центра.

Научная аппаратура:

Для решения задач по выращиванию в космосе качественных кристаллов белков на основе отечественного и зарубежного опыта НПП «БиоТехСис» была разработана универсальная биокристаллизационная кассета (УБК) «Луч-2».

УБК «Луч-2» предназначена для выращивания монокристаллов биологических препаратов методом диализа через полупроницаемую мембрану или комбинированным методом диализа и диффузии через газообразное состояние. Оба реализуемых в УБК «Луч-2» метода направлены на постепенное изменение концентрации осаждающего агента в камерах с раствором биологического препарата с целью достижения условий образования его монокристаллов. Аппаратура «Луч-2» представляет собой два вкладыша Укладка № 1 и Укладка № 2. В каждой укладке уложены четыре универсальных биокристаллизационных кассеты (УБК) «Луч-2» – № 1…4. Каждая УБК «Луч-2» состоит из четырех кристаллизационных ячеек и механического привода с помощью которого космонавт на борту осуществляет активацию/дезактивацию процесса кристаллизации. Каждый биокристаллизатор имеет три камеры раствора белка, отделенные перекрывным клапаном от камеры раствора осадителя. Модульное выполнение корпуса каждой кристаллизационной ячейки и средства установки их в гнездах кассет позволяет в случае необходимости достаточно просто осуществить независимую замену любой ячейки или кассеты на любом этапе эксперимента без дополнительной стерилизации. Кроме того, модульное выполнение кристаллизационных ячеек, кассетный принцип их укладки позволяют реализовать процесс кристаллизации для сколь угодно широкой комбинации белковых и осаждающих растворов. На рисунке 1 представлены различные фазы выполнения на борту МКС КЭ по кристаллизации белков с использованием НА «Луч-2».

Аппаратура «Луч-2» позволяет: ­

- осуществлять визуальный контроль за ростом кристаллов; ­

- дублировать параметры среды для выращивания белковых кристаллов в каждой кассете; ­

- изменять массы и габаритов оборудования за счет изменения количества кристаллизационных кассет в укладке в зависимости от требований эксперимента и грузопотока.

Аппаратура «Луч-2» является довозимым и периодически заменяемым оборудованием для каждого нового эксперимента. Укладка «Луч-2» не требует источников электропитания и не имеет источников тепловыделения. Время занятости экипажа 2ч. 20 мин. Габариты НА 160x120x75 мм. Масса НА - 0,85 кг. Общий объём информации, оперативно передаваемый с борта МКС по каналу ОСА, составляет ~ 45 Мбайт (8 фотографий). Продолжительность выполнения эксперимента – до 3-х месяцев.

Вся предполетная подготовка (подготовительные операции, стерилизация кристаллизационных ячеек и заправка биокристаллизаторов необходимыми растворами) проводится за пять дней до старта. Все наземные транспортные операции с укладками аппаратуры «Луч-2» (доставка на Байконур, возвращение в Москву с места посадки) осуществляются с использованием наземного транспортного термостата при температуре +20 C.

В транспортный грузовой корабль УБК укладывается за 9 часов до старта. На борту РС МКС эксперимент проводится в термостатирующем контейнере «AQUA 01» или холодильнике-термостате «Криогем-03М» при температуре +20о С. При проведении эксперимента осуществлялся ежесуточный контроль температуры.

Космонавт С.Шарипов с НА «Луч-2» (МКС- 10, 2005 г.).

Размещение укладки «Луч-2» (внизу) в термостате «Криогем-03М».

Универсальные биокристаллизационные кассеты «Луч-2»

Активация процесса кристаллизации УБК аппаратуры «Луч-2».

Укладка "Луч-2" в СМ на панели 406.

Укладка "Луч-2" в раскрытом виде после доставки на МКС.

Рисунок 1 – Различные фазы выполнения КЭ с НА «Луч-2» на борту МКС.

В период с 2003 по 2008 г. УБК «Луч-2» использовалась для проведения целого ряда КЭ по кристаллизации белков – «Вакцина-К», «Гликопротеид», «Интерлейкин-К», «Миметик-К», «КАФ». С 2008 г. модернизированный вариант аппаратуры используется для проведения КЭ «Структура».

Ожидаемые результаты:

• Совершенствование технологии получения биокристаллов в условиях микрогравитации и развитие кристаллографических исследований в космосе с целью получения высококачественных белковых кристаллов.

• Результаты КЭ могут быть использованы для получения миметиков пептидно-белковой природы, моделирования активного центра анти-идиотипического антитела и центра его направленной модификации с целью создания нового иммуномодулятора.

Полученные результаты:

Всего за период 2003-2008 гг. было проведено 8 сеансов КЭ продолжительностью в период МКС-7– 59 суток, МКС-8 – 88 суток, МКС-9 – 90 суток, МКС-10 – 61 сутки, МКС-11 – 39 суток, МКС-13 – 117 суток, МКС-16 – 51 сутки и МКС-17 – 44 суток.

Анализ результатов КЭ "Миметик-К" показал, что в большинстве случаев было получено до нескольких десятков хорошо ограненных кристаллов призматической формы с наибольшим размером от 70 до 200 мкм при полном отсутствии следов аморфного осадка.

Осадитель - сульфат аммония, изопропанол. Размеры наибольших кристаллов около 100х 160х 100 мкм (поляризованный свет).

Осадитель - сульфат аммония, Tris-HCl. Размеры наибольших кристаллов около 200х200х10 мкм (обычное освещение).

Рисунок 2 - Результаты КЭ "Миметик-К" (МКС-10). Микровидеоизображения содержимого орбитальных кристаллизационных ячеек.

Полученные кристаллы в 1,5-2 раза превосходили аналогичные кристаллы, выращенные в контрольных наземных экспериментах. При применении другого осаждающего агента размеры кристаллов доходили до 250х250 мкм, что на порядок превосходит результаты контрольных наземных экспериментов.

Кристаллы небольшого размера имели форму квадратных уплощенных призм; форма наиболее крупных кристаллов - менее определенная, что привело к некоторым трудностям при проведении рентгеноструктурных исследований.

Проведенные рентгеноструктурные исследования двух кристаллов синтетического олигопептида показали, что они пригодны для получения набора дифракционных данных и установления пространственной структуры. В одном случае возможно применение "прямых" рентгеновских методов исследований, но с использованием синхротронного источника излучения из-за небольших размеров кристаллов, полученных в космосе. В другом случае, вследствие того, что элементарная кристаллическая ячейка содержит две молекулы Миметика на ее асимметричную часть, невозможно будет в дальнейшем использовать "прямые" рентгеновские методы для определения пространственной структуры молекулы.

В результате проведенных летных экспериментов получены достоверные результаты, которые могли быть использованы для определения структуры олигопептидного комплекса Миметик.

Так как требования ТЗ были ыполнены в полном объеме, а предложений о дальнейших исследованиях от научных организаций не последовало, на заседании секции "Космическая биотехнология" от 28.11.2008 г. было принято решение о завершении космического эксперимента "Миметик-К".

Сроки проведения: КЭ завершен в 2008 году.
Состояние эксперимента: Завершен
Организация постановщик: ОАО «Биопрепарат»
Организации участники: Институт биоорганической химии им.М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН НПП «БиоТехСис» ОАО РКК «Энергия» им С.П.Королева ФГБУ НИИ ЦПК им. Ю.А.Гагарина
Научный руководитель: Щербаков Г. Я., ОАО «Биопрепарат», начальник Научно-технического управления, д.м.н., профессор
Публикации по эксперименту:

И.Н.Цыганник, И.В.Артемьев, С.Ф.Архипова, В.З.Плетнев, Г.Я. Щербаков «Кристаллизация белков в условиях микрогравитации»// В сб.: Материалы научно-технической конференции по основным результатам научно-прикладных исследований на РС МКС, г.Королев 2007г.

Последнее обновление: 15.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения