Блюменфельд Л.А. и "Широкие линии" 25 лет спустя...

Как ясно из сказанного, Л.А. после 1961 г. напряженно и успешно занимался многими проблемами. Но также ясно, что все эти годы проблема "широких линий" не уходила из его головы. Однако, прошло почти 25 лет когда он смог вернуться к этой проблеме. Много всего было за эти 25 лет. Много и на кафедре и в Институте биофизической химии (отколовшейся части Института химфизики). О событиях в Институте я рассказывать не берусь - не был непосредственным свидетелем. Знаю только, что к этому времени лаборатория Л. А. разделилась на две. Одной стал заведовать А. Ф. Ванин , проводивший все эти годы пионерские исследования природы биогенной NO , открывшие новое научное направление, по которому вслед за ним пошли сотни исследователей во всем мире [ 23_23 , 23_23 , 23_24 ].

Вторую возглавил Р.М. Давыдов , занимавшийся механизмами ферментативного катализа. Л. А., освободившись от обще-лабораторных проблем (он остался в должности главного научного сотрудника) наконец, вернулся к "широким линиям".

В октябре 1987 г. в редакцию журнала Биофизика была направлена статья А. И. Цапина, О. П. Самойловой и Л. А. Блюменфельда "Закономерности изменения магнитных характеристик клеток дрожжей Sacharomyces cerevisiae на разных стадиях роста культуры" [ 23_25 ]. Были повторены старые опыты с использованием новой современной техники низкотемпературной ЭПР- спектроскопии. Вновь была показана четкая корреляция клеточного цикла развития синхронной культуры дрожжей и величиной сигнала ЭПР в области "широких линий". Показано, что максимальная интенсивность сигнала ЭПР наблюдается за 10-15 минут до начала интенсивного деления клеток. Установлено, что центры, ответственные за этот сигнал представляют собой структуры типа спиновых стекол. Все подтвердилось. Но к этому времени острота ситуации сгладилась. Пришло новое поколение. Мало кто помнил о "проблеме широких линий". Почти некому стало доказывать правоту работ 60-х годов. Зато все знали, что в клетках бактерий, растений, животных могут образовываться кристаллы биомагнетита и что в этом направлении работает много лабораторий в мире...

Почти тогда же, в 1989 г. Л. А. оставил должность заведующего кафедрой. Им стал наш выпускник В. А. Твердислов. Оставил должность, но продолжал активно участвовать в обсуждении кафедральных дел. Жизнь кафедры всегда полна событий. Отборочные собеседования, лекции, летняя практика, экзамены, веселые праздники и элегические расставанияе с очередным выпуском. ...Наверное, для всех нас самым важным событием в жизни было поступление в Университет. Самым торжественным - момент окончания Университета (так мы говорим "окончил" Университет...). Мы отмечали эти торжественные моменты вручением золотых шоколадных медалей и групповой фотографией очередного выпуска. Больших золотых медалей на красных шелковых лентах... Шоколадных, чтобы смягчить серьезность момента... Многие наши выпускники сохраняют эти (съедобные!) медали всю жизнь. ...Свой последний, 80-й день рождения 23 ноября 2001 г. Л.А. встретил в индивидуальной палате Кардиологического центра . Ира Лисовская принесла огромное блюдо с пирожками необычайной вкусноты. Л. А. угощал ими многочисленных посетителей. Он надписывал и дарил сборник своих стихов [ 23_25 ], изданных в точности к этому дню (в основном усилиями Кати Симоненко и Наташи Бодровой). Мы (и он) понимали, что это прощание. Но еще не вышла его последняя книга "Решаемые и нерешаемые проблемы биологической физики" [ 23_27 ] - этим изданием неуклонно занимался А. Н. Тихонов . 3 сентября 2002 г. Саша принес в палату корректуру этой книги. Л. А. подписал ее и через несколько минут умер. Странное, известное многим, состояние...

В реальности Л. А нет. А я продолжаю обсуждать с ним происходящие события. Я рассказываю ему о подготовке специальных номеров журнала Биофизика с посвященными ... ему статьями. Моя статья о нем - стараюсь сохранить равновесие между повествованием, апологией и необходимой официальностью академического журнала [ 23_28 ]. В этих номерах журнала (* 6 за 2003 г. и * 1 за 2004 г.) статьи друзей и учеников. В этих номерах журнала, поразительным образом заключалось завершение драмы "широких линий"! "Широкие линии" не артефакт! Магнетитовые частицы необходимы для нормальной жизни клеток! В этом, посвященном Л. А, * 6 журнала Биофизика была опубликована большая статья коллектива авторов во главе с Г. Б. Хомутовым . Статья, среди прочего, посвящена тонким "ленгмюровским" пленкам ДНК и обнаружению на этих пленках - мономолекулярных слоях - крупинок... железного магнетита. Г. Б. окончил кафедру в 1979 г. (выпуск * 19). Удивительно! Оказывается уже к этому времени трагическая история "широких линий" была для студентов далеким прошлым и в памяти не отложилась. Г. Б. пришел ко мне с только что полученным номером журнала в большом волнении. Обнаруженные им нано-частицы железа образуются при взаимодействии с ДНК! Это же разгадка тайны "широких линий". Он узнал об этой тайне из моей статьи о Л. А. Блюменфельде в этом номере. Г. Б. "тут же", в несколько дней, написал замечательную статью "О возможной роли ионов железа в изменениях состава комплексов ДНК и их магнитных свойств в процессах клеточного цикла" [ 23_29 ].

В статье показан возможный биологический смысл и механизм образования нано-частиц магнетита в жизни клеток. Статья успела прямо в следующий (* 1 за 2004 г.) номер журнала Биофизика, также в значительной части посвященный памяти Л. А Блюменфельда. Я поместил там свой краткий, "драматургический" комментарий. В самом деле, получилась удивительная драматургия! Такую пьесу нельзя придумать... Как жаль, что Л. А. не дожил до этих событий. Как странно, что он также не заметил этого смысла в работах Хомутова. (Он о них знал, но "не вникал"). Если бы можно было передавать сообщения "на тот свет"... В этой статье Г. Б. предлагает интересную гипотезу. Он обращает внимание на то, что в циклах деления клеток ключевым является процесс изменения упаковки ДНК - от плотной компактной, суперспиральной до развернутой. Плотная упаковка в ядре обусловлена комплексами ДНК с катионными молекулами - полиаминами или гистонами. Для перехода к развернутой конформации необходимо изменить состав лигандов. Г. Б. полагает идеальными для этой цели катионы металлов и более всего трехвалентный катион железа. Он пишет: "Центральным местом нашей гипотезы о возможной роли катионов железа в изменении состава и в структурных трансформациях нуклеопротеидных комплексов является идея о том, что ионы железа обеспечивают изменение состава комплексов, образуемых фосфатными группами ДНК, эффективно конкурируя и замещая аминогруппы органических лигандов в таких комплексах. Доставка катионов железа к компактизованной ДНК (в том числе адресная доставка к определенным участкам нуклеопротеидных комплексов на ДНК) может быть обеспечена переносчиками железа различной природы, при этом включение железа в комплексы с ДНК может происходить по механизму обмена и замещения лигандов. После стадии конкурентного вытеснения органических лигандов (полиаминов, гистонов или других белков) из комплексов с ДНК катионами железа встает вопрос об удалении самих катионов железа и получении свободной ДНК. Эта задача может решаться путем изменения заряда связанных с ДНК ионов железа в ходе окислительно- восстановительных реакций и их перехода в мобильные комплексы. Также возможно образование и последующее удаление слабозаряженных железосодержащих наночастиц из катионов железа, образующих комплексы с молекулами ДНК. Нами продемонстрирована возможность включения катионов Fe3+ в пленарные комплексы ДНК- амфифильный поликатион и получения организованных цепочечных ансамблей наночастиц оксида железа (магнетит и маггемит, диаметр 2-5 нм) в таких системах при нормальных условиях (комнатная температура, атмосфера воздуха) под действием восстановителей (использовались борогидрид натрия или аскорбиновая кислота) при повышенных значениях рН ... Вполне возможно, что широкие линии сигнала ЭПР, открытые Л. А. Блюменфельдом с сотрудниками в препаратах ДНК, интенсивность которых коррелировала с процессами деления клеток, обусловлены магнитными наночастицами оксидов железа, образующимися в процессах трансформации нуклеопротеидных комплексов на начальных стадиях деления клеток..."

Замечательно красивая картина! Железо оказывается необходимым участником клеточного цикла. Образование магнетитовых частиц - обязательное следствие деления клетки. И, совсем замечательно, клеточный цикл тесно сопряжен с циклическими измерениями окислительно- восстановительного потенциала! Тем самым "феномен широких линий" оказывается проявлением фундаментальных биологических процессов. В подтверждение этой картины Г.Б. приводит экспериментальные данные из своих ранее опубликованных работ на пленках ДНК. Но наиболее полная картина представлена в обзоре [ 23_30 ].

Здесь приведено детальное описание полученных Г. Б. Хомутовым результатов по синтезу магнитных наночастиц оксида железа в комплексах ДНК с участием реагентов исключительно биогенной природы - источников железа (ферритин) и восстановителей (аскорбиновая кислота) при нормальных условиях (физиологические значения рН ~ 7,5, комнатная температура, атмосфера воздуха). Г. Б. пишет: "...Наночастицы магнетита в наших экспериментах образуются из ионов железа, перенесенных от молекул ферритина на иммобилизованные комплексы молекул ДНК, в ходе последующих окислительно-восстановительных процессов, инициируемых аскорбиновой кислотой, и взаимодействий образующейся неорганической нано-фазы с лигандами. Наночастицы магнетита, как известно, обладают магнитными свойствами, которые могут проявляться, в том числе, в резонансном поглощении СВЧ-излучения. Такие магнитные наночастицы в принципе могут обусловливать эффект "широких линий сигнала ЭПР" , обнаруженный Л. А. Блюменфельдом с сотрудниками в препаратах ДНК и в клеточных культурах на определенных стадиях деления клеток... Таким образом, в результате проведенного исследования процессов образования наночастиц оксидов железа в системе, включающей иммобилизованные комплексы ДНК и биогенные реагенты, установлено, что в системе, включающей ферритин в качестве источника ионов железа и аскорбиновую кислоту в качестве восстановителя, происходит образование наночастиц магнетита Fe304 с доминирующими характерными размерами 2-3 нм. Полученные результаты указывают на возможность формирования магнитных наночастиц оксида железа на молекулах ДНК или их комплексах с полиаминами в биологических системах при соответствующих условиях, обеспечивающих наличие и доступность источников ионов железа и восстановителя. Такие процессы в принципе могут иметь место в ходе некоторых биогенных физиологических или патологических процессов в живых системах, включающих метаболизм железа, окислительно-восстановительные процессы, регуляцию стадий клеточного цикла и процессов с участием ДНК. В результате таких процессов образования стабильных нанофазных оксидов железа возможна нейтрализация ионов железа (находящихся в избыточном количестве или в ненадлежащем месте) в биологических системах и тем самым предотвращение их участия в патологических окислительно- восстановительных процессах. В частности, такие процессы могут являться элементами защитных реакций живых систем от факторов, приводящих к образованию активных форм кислорода и обусловленных редокс-активными ионами железа..."

Могу себе представить волнение Л. А., если бы он прочел эти слова... А я должен отметить, что в этой, представленной выше, картине, речь идет вовсе не только о "магнитных свойствах" биогенных структур. Одна из общих проблем, занимавших Л. А. многие годы, - связь окислительно- восстановительных и ионных процессов в клетке. Он говорил об этой проблеме в своих лекциях. В начале 60-х Валерий Иванов (наш 1-ый выпуск - один из инициаторов создания кафедры Биофизики на Физическом факультете) увидел сходство пространственной структуры аскорбиновой кислоты и нуклеиновых оснований и высказал предположение о роли комплексов аскорбиновой кислоты с металлами с переменной валентностью - железом и медью в регуляции превращения нуклеиновых кислот, способности ДНК к репликации. Статью В. Иванову помог опубликовать Л.А.Блюменфельд - это было в 1965 г. Многие десятилетия потом В.И.Иванов не оставляет эти идеи. Он сам и вместе с Л. Е. Минченковой опубликовал много работ по этой проблеме [ 23_31 , 23_33 ]. В самом общем виде теперь ясно, окислительно-восстановительные изменения состояния комплексов железа (меди) с ДНК могут быть регуляторами клеточных циклов [ 23_34 ]. Тем самым соединяются две великих ветви биохимии - окислительно-восстановительные процессы метаболизма и процессы преобразования наследственной информации. Прошло несколько десятилетий. (Авторы новых идей живите, пожалуйста, как можно дольше!) В 2004 г. произошло замечательное событие. Роберт Клевеч и сотр. [ 23_33 , 23_34 ] обнаружили, что многие сотни (многие тысячи!) генов дрожжей "включаются" и "выключаются" синхронно в зависимости от окислительно-восстановительного состояния клетки. Это состояние изменяется с четким 40-минутным периодом. Разные группы генов активируются на разных фазах этих колебаний. Этот вновь открытый вид колебаний, связывающий метаболизм и "геномику", сопровождается "включением" и "выключением" репликации ДНК! Итак, почти (!) ясно, что, в самом деле, окислительно-восстановительные реакции изменяют состояние реагентов, изменяют - разрешают или запрещают - осуществление ими их функций. Репликация ДНК управляется изменениями редокс-условиями в клетке. Условиями, определяющими возможность обратимого восстановления нуклеиновых оснований при взаимодействии восстановителей (аскорбиновой кислоты, глютатиона) с металлами переменной валентности - железом или медью. Идеи эти прекрасны. Множество нитей переплетено в них. И смысл "широких линий" и ранее неизвестное назначение ионов железа в клетке. И возможная роль аскорбиновой кислоты (без которой м.б. нельзя избавиться от образовавшихся магнетитовых нано-частиц). И даже сентенция А П. Чехова, говорившего, что в человеке слишком мало железа и много фосфора... Осталось "совсем немного" - показать, что "широкие линии" в спектрах ЭПР появляются и исчезают с периодом Genome-wide oscillation. Осталось только измерить эти спектры в должной постановке опытов. И быстрее сообщить Блюму результаты... Совсем ли завершилась эпопея "широких линий"? Чтоб совсем - этого не бывает. Можно ожидать здесь еще множество интересных "поворотов темы". Но эта эпопея наполнила многие десятилетия жизни Л. А. Блюменфельда особым напряжением. Здесь была и радость открытий и интеллектуальные озарения и тяжесть "разоблачений" и недоверия. Здесь проявились характеры и определились жизненные траектории многих людей. Как жаль, что Л.А. немного не дожил до счастливого финала.

Ссылки: