CC BY
160
Биохимия
Вестник ДВО РАН. 2010. № 5
УДК 547.925:593.793:593.93 В.А.СТОНИК
Фундаментальные исследования природных соединений на Дальнем Востоке России
Рассмотрены направления и некоторые результаты изучения природных соединений на Дальнем Востоке России. Эти исследования проводятся в основном в ТИБОХ ДВО РАН, где изучаются метаболиты высших наземных растений, морских микро- и макроорганизмов. Они включают поиск новых продуцентов биологически активных метаболитов (скрининг), выделение, установление химического строения различных природных веществ, изучение их химических свойств, физиологической активности (в том числе молекулярных механизмов действия, биологических функций), а также органический синтез. Полученные результаты используются для создания новых лекарств, диагностикумов, биологически активных добавок к пище.
Ключевые слова: природные соединения, наземные растения, морские организмы, микроорганизмы, структуры, свойства, применение.
Basic research of natural products in the Far East Region of Russia. V.A.STONIK (Pacific Institute of Bioorganic Chemistry, FEB RAS, Vladivostok).
Directions and some results ofthe studies on natural products in the Russian Far East are discussed. These studies are carried out mostly by the Pacific Institute of Bioorganic Chemistry where metabolites of higher terrestrial plants, marine micro- and macro-organisms are investigated. The investigation comprises a search for new producers of biologically active metabolites (screening), isolation, elucidation of chemical structure of different natural compounds, determination of their chemical properties, physiologic activities, including molecular mechanisms of action, biological roles as well as organic synthesis. The obtained results are used to create new drugs, diagnosticums and food supplements.
Key words: natural products, terrestrial plants, marine organisms, microorganisms, structures, properties, application.
Изучение природных соединений - одно из главных научных направлений Тихоокеанского института биоорганический химии (ТИБОХ) ДВО РАН, которое успешно развивается около 50 лет. По отдельным направлениям исследования природных соединений проводятся также в Биолого-почвенном институте (БПИ) и Институте биологии моря (ИБМ) Отделения. Будет правильным упомянуть также некоторые предшествующие работы, которые проводились во Владивостоке еще до создания ДВНЦ АН СССР /ДВО РАН. Так, начиная с 1922 и по 1930 г. профессор Государственного дальневосточного университета (ГДУ) Е.И.Любарский выполнял здесь исследования терпенов и скипидаров из хвойных растений и соевых бобов, вместе с ним работал доцент И.Н.Савич. Позже к ним присоединились О.Б.Максимов, М.П.Белопольский и другие молодые ученые, которые занимались окислением и гидрогенизацией жира промысловых рыб, другими направлениями химического изучения природного сырья Дальнего Востока России. Проводил подобные работы и прибывший в 1923 г. во Владивосток из Читы проф. Ю.В.Бранке. Аресты большой группы ученых-химиков в 1933-1937 гг. и закрытие ГДУ привели к прекращению многих из этих работ [3].
Создание и развитие научного направления, связанного с изучением природных соединений, на его современном этапе неразрывно связано с именем академика Г.Б.Елякова.
СТОНИК Валентин Аронович - академик, директор (Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, Владивосток). E-mail: stonik@piboc.dvo.ru
который был одним из организаторов фундаментальных научных исследований на Дальнем Востоке России [7], основателем и в течение многих лет (1964-2002 гг.) директором нашего института. Он руководил ДВО РАН в трудный период его истории - с 1990 по 2002 г. Широта взглядов, глубокая эрудиция и талант позволили ему определить главные векторы исследований института, которыми стали биоорганическая и органическая химия, биотехнология, молекулярная иммунология, энзимология и морская микробиология.
Изучение природных соединений - фундаментальная область науки, лежащая на стыке химии и биологии и имеющая большое значение для пополнения наших знаний о химических основах жизнедеятельности живых систем, а также для укрепления здоровья и увеличения продолжительности жизни людей. Известно, что природные соединения, структуры и биологические функции которых изучает биоорганическая химия, широко используются в качестве лекарств и ценных пищевых компонентов [10]. Многие десятки лет основными источниками новых природных соединений были высшие наземные растения, а после открытия антибиотиков - почвенные микроорганизмы. Хотя исследования растительных и микроорганизменных метаболитов до сих пор имеют определяющее значение, важное место в этой области знаний стали занимать природные соединения из морских организмов, первые публикации по которым появились около полувека назад. В настоящее время химия морских природных соединений - быстро развивающийся раздел биоорганической химии, на который возлагаются большие надежды при создании новых лекарств [10].
ТИБОХ ДВО РАН относится к немногим научным организациям мира, которые достаточно давно (более 40 лет назад) стали проводить работы в области химии морских природных соединений. Сейчас институт - один из главных в стране научных центров, изучающих природные соединения во всем диапазоне проблем: от выделения и установления строения, биосинтеза, биологической роли, молекулярных механизмов биологического действия и до получения целевых веществ методами органического синтеза, генетической инженерии и биотехнологии. Кроме низкомолекулярных природных соединений морского и наземного происхождения, таких как стероиды, терпеноиды, алкалоиды и другие, здесь изучаются пептиды, полисахариды, белки, гликопротеины и иные группы метаболитов, выделенные из наземных растений, морских беспозвоночных, водорослей и микроорганизмов.
Природные соединения из высших наземных растений
Природные соединения из высших наземных растений Дальнего Востока России изучаются в институте с момента его основания [7]. В настоящее время эти работы ведутся главным образом в лабораториях химии природных хиноидных соединений (зав. лаб. д.х.н. С.А.Федореев) и хемотаксономии растений (зав. лаб. академик П.Г.Горовой). Широко известны выполненные в институте исследования биологически активных гликозидов из женьшеня и других представителей семейства аралиевых, тритерпеновых производных из коры и листьев берез [7], пигментов нафтохиноидной природы из воробейника краснокорневого, лигнанов и катехинов из тиса остроконечного, изофлавоноидов и производных стильбена из маакии амурской [1]. Изучаются как сами дальневосточные растения - продуценты ценных природных соединений, так и их вторичные метаболиты; в частности уточняются таксономический статус растений, их ресурсы, ведется поиск новых продуцентов биологически активных веществ, исследуются распределение вторичных метаболитов в различных видах растений, их органах и тканях, антиокислительные свойства, физиологическая активность, способы получения в необходимых количествах. Так, для целого ряда дальневосточных высших растений выполнено сравнительное изучение чисел хромосом, биологии прорастания семян, применен стоматографический метод для изучения эпидермы листьев; 42 вида папоротников изучены в качестве возможных продуцентов
биологически активных фитоэкдизонов [4]. Обнаружено, что некоторые дальневосточные высшие растения, например Serratula centauroides, являются прекрасными источниками этих ценных веществ (акад. П.Г.Горовой и сотрудники).
Нашими учеными получены новые данные, касающиеся ряда широко известных физиологически активных веществ растительного происхождения. Так, сделан весомый вклад в установление строения гинзенозидов - тритерпеновых гликозидов, которые во многом определяют полезные свойства женьшеня. Полученные при этом результаты обобщены Г.Б.Еляковым в докторской диссертации «Химическое исследование тритерпеновых гликозидов из корней женьшеня (Panax ginseng C.A. Mey)» (1967 г.). Идентифицированы основные химические компоненты корней элеутерококка колючего Eleutherococcus senticoccus, других дальневосточных растений (Platicodon granduliferum, Caulophylum robustum, Caltha silvetris) [7].
В ряду работ, посвященных изучению биологического действия растительных метаболитов, были, например, исследования минорных гликозидов из женьшеня [7]. Удалось показать, что 12-О- и 3-О-моноглюкозиды 20^)-протопанаксадиола значительно увеличивают продолжительность жизни животных с экспериментальными опухолями (д.б.н. М.М.Анисимов и сотрудники). Такие вещества проходят сейчас клинические испытания в некоторых странах в качестве средств, тормозящих метастазирование злокачественных опухолей.
В дальневосточных растениях найдены неизвестные ранее растительные метаболиты, определено их полное химическое строение. Например, из гексанового экстракта воробейника Lithospermum erythrorhizon выделен новый хинон, названный бензохинонилфура-ном (рис. 1) - первый представитель новой группы природных соединений. (Позднее это же вещество было получено японскими учеными из клеточной культуры Echium lycopsis и названо эхинофураном С.) Из клеточной культуры незабудочника Eritrichium sericeum [2] выделен новый олигомер кофейной кислоты эритрихин, структура которого (рис. 1) определена спектральными методами. Из древесного бобового растения Maackia amurensis [1] получен новый димерный стильбен (Е)-маакин А, структура которого (рис. 1) установлена на основе анализа спектров ЯМР 1Н и 13С.
(Е)-Маакин А
Рис. 1. Некоторые новые природные соединения из высших наземных растений
Вместе с БПИ ДВО РАН (акад. Ю.Н.Журавлев, чл.-корр. РАН В.П.Булгаков) ТИБОХ участвовал в создании клеточных культур из дальневосточных лекарственных растений (женьшень, виноград амурский, маакия амурская, воробейник краснокорневой и др.) - продуцентов ценных природных веществ, в выполнении детальных исследований их химического состава и в изучении физиологической активности полученных при этом биопрепаратов [18]. Впечатляющими являются результаты, полученные при изучении клеточной культуры из проростков семян маакии амурской. Из нее выделено 19 изофлавоноидов, причем многие из них отличались своим строением от природных веществ, присутствующих в экстрактах самого растения, являясь моно- или дималонилгликозидами [12]. В то же время в клеточной культуре отсутствовали характерные для древесины маакии мономерные и димерные стильбены. Суммарный полифенольный препарат из клеточной культуры проявляет высокую гепатопротекторную активность, не уступая в этом отношении препарату из нативного растения. Клеточная культура винограда амурского, трансформированная геном RolB, оказалась прекрасным продуцентом известного физиологически активного соединения резвератрола, определяющего полезные свойства красных вин. Клеточная культура ВК-39F из воробейника краснокорневого биосинтезирует противовоспалительные нафтохиноидные пигменты (9 эфиров шиконина) и другие физиологически активные метаболиты (д.х.н. С.А.Федореев и сотрудники) [18].
Природные соединения из морских организмов
Никто не мог предположить до начала соответствующих исследований, каким богатым источником новых природных соединений окажутся морские организмы. К настоящему времени из них выделено более 20 тыс. новых метаболитов, зачастую весьма необычных по своему химическому строению и обладающих экстремально высокой биологической активностью. В этих работах принимают участие около 100 научных коллективов из многих стран. Среди полученных новых веществ - самые мощные небелковые токсины, суперактивные соединения, тормозящие рост и развитие опухолевых клеток при концентрациях, в сотни раз меньших по сравнению с применяемыми сейчас противоопухолевыми препаратами, мощные противовоспалительные, обезболивающие, противовирусные агенты.
Биогенез многих морских метаболитов весьма необычен, их биосинтез часто осуществляется ранее неизвестными ферментами, сопровождается необычными перегруппировками. Кроме того, в молекулы морских метаболитов могут включаться атомы и группы, присутствующие в морской воде. Поэтому среди них много галогенированных, в особенности бромированных, производных, часто имеются полярные группы, например сульфатные, придающие защитным метаболитам, выделяемым малоподвижными морскими организмами в окружающую среду, повышенную растворимость в воде [6].
ТИБОХ расположен на Тихоокеанском побережье, и это дает широкие возможности для изучения химического строения, биогенеза, таксономического распределения, биологической роли и свойств природных соединений морского происхождения. В 1967 г. была создана первая на Дальнем Востоке страны академическая морская станция (МЭС ТИБОХ ДВО РАН), что обеспечило многолетнюю успешную экспериментальную работу с морским биологическим материалом не только ученых нашего института, но и ведущих специалистов из Москвы, республик, входящих в СССР
И сейчас МЭС выполняет важную роль в изучении морских природных соединений. Кроме того, сбор, выделение целевых веществ и определение биологической активности экстрактов осуществлялись и осуществляются в морских экспедициях в различные, в том числе тропические, районы Мирового океана.
Сотрудники института еще в 1960-е годы участвовали в ряде экспедиций различных организаций и ведомств, а в 1976 г. на научно-исследовательском судне «Каллисто» была
выполнена первая морская экспедиция, организованная ТИБОХ. В 1985 г. в Финляндии по решению советского правительства для исследований института было построено специализированное научно-исследовательское судно «Академик Опарин», на борту которого работали не только российские специалисты, но и ученые из Америки, Австралии, Японии и других стран. В 2005 г. были возобновлены и продолжаются до сих пор совместные экспедиционные исследования с Вьетнамской академией наук и технологий, что расширило круг изучаемых морских организмов. Последняя совместная российско-вьетнамская экспедиция (38-й рейс НИС «Академик Опарин») завершила свою работу в июне 2010 г.
В результате многолетних исследований в ТИБОХ открыты новые структурные группы морских метаболитов: биполярные сфингоподобные липиды (д.х.н. Т.Н.Макарьева) [16], неголостановые тритерпеновые гликозиды из голотурий (д.х.н. С.А.Авилов, д.б.н. В.И.Ка-линин) [19], стероидные олигогликозиды из губок (к.х.н. А.С.Антонов), необычные ме-тилстерины (к.х.н. Н.И.Калиновская) [6], необычные липиды А из морских бактерий (д.х.н. И.Н.Красикова) [5], природные диоксины (к.х.н. Н.К.Уткина) [20] и др.
Общее число новых природных соединений с установленными структурами, полученных в институте из морских организмов, превышает 500. Многие сотни ранее известных природных соединений выделены из ранее химически не изученных видов микроорганизмов, высших и низших растений и морских беспозвоночных.
К высоко активным и необычным по своему строению природным соединениям относятся биполярный липид ризохалин из губок [16], обладающий противогрибковыми свойствами, высокотоксичный в отношении опухолевых клеток варацин С и алкалоид пибоцин, родственный галлюциногенным и наркотическим веществам, выделенные из асцидий (рис. 2). Название пибоцина происходит от аббревиатуры «PIBOC» (Pacific Institute of Bioorganic Chemistry). Алкалоид поликарпин (рис. 2) из тропической асцидии, собранной на Большом Барьерном рифе (Австралия) во время одной из морских экспедиций, также демонстрировал высокую токсичность в отношении опухолевых клеток [6]. В течение длительного времени он и его производные изучались в Национальном институте рака (США) как потенциальные лекарственные препараты. Однако эффективные дозы этого соединения близки к токсичным, что тормозит дальнейшие работы по созданию на его основе противоопухолевого средства.
В то же время некоторые его аналоги значительно менее токсичны, при этом сохраняют тот же уровень аКГив_ рис. 2. Формулы некоторых морских природных соединений, открытых
ности. в ТИБОХ
Недавно из губки, собранной во время Курильской экспедиции на НИС «Академик Опарин», был выделен структурно необычный гуанидиновый алкалоид монанхацидин (рис. 2; д.х.н. Т.Н.Макарьева и сотрудники). Список интересных для науки веществ, открытых в ТИБОХ ДВО РАН, можно продолжать.
Не только отдельные вещества, но и большие серии родственных друг другу новых природных соединений получены из различных групп морских беспозвоночных и водорослей. Например, более 150 новых тритерпеновых гликозидов найдено в 50 изученных видах голотурий (иглокожие) [19]. Эти достаточно сложные по строению вещества являются высоко активными иммуномодуляторами, противоопухолевыми и противогрибковыми агентами. Интересно, что разные токсоны голотурий (подсемейства, роды, а в некоторых группах - виды) содержат разные гликозиды данной серии, так что структурный анализ соответствующих гликозидных фракций можно использовать для уточнения таксономического статуса, эволюционных построений и решения других проблем, связанных с биологией этих интересных животных. С использованием указанного подхода выполнены ревизии различных таксонов голотурий, описаны их новые виды и роды, изменено таксономическое положение и номенклатура ряда таких животных, в том числе хорошо известного дальневосточного трепанга Apostichopus japonicus (д.б.н. В.С.Левин, д.б.н. В.И.Калинин).
Серия высокоокисленных стероидов, их гликозилированных и сульфатирован-ных производных (более 150 соединений) получена из морских звезд (д.х.н. А.А.Кича, к.х.н. Н.В.Иванчина) [6, 15]. Некоторые из них стимулируют дифференциацию нервных клеток и рост нервных отростков (нейритов). Эти метаболиты, как и многие другие группы морских природных соединений, образуют чрезвычайно сложные и трудно разделимые смеси. Работа с ними требует использования самой современной разделительной техники, а установление строения - применения двумерной ЯМР-спектроскопии (д.х.н. А.И.Калиновский) и различных вариантов масс-спектрометрии (к.х.н. П.С.Дми-тренок). Биосинтез этих соединений не изучен, однако недавно нами представлена гипотетическая общая схема его протекания в морских звездах [15].
Серия необычных стероидных олигогликозидов получена из различных видов губок. Эти вещества защищают неподвижных животных от хищников и, по-видимому, от патогенной микрофлоры (к.х.н. А.С.Антонов). Группа необычных стеринов - ключевых компонентов клеточных мембран - получена из иглокожих и губок (к.х.н. Л.К.Шубина, к.х.н. Н.И.Калиновская) [6]. Особенно характерны такие природные соединения для тех видов, которые содержат собственные мембранолитические токсины. Ароматические соединения из губок и иглокожих, изученные в институте, в том числе алкалоиды и пренилирован-ные хиноны, проявляют мощные антиокислительные свойства (к.х.н. Н.К.Уткина) [6].
Исследования морских полисахаридов, включая пектины (акад. Ю.С.Оводов. д.б.н. Ю.Н.Лоенко, д.х.н. Т.Н.Звягинцева, д.х.н. И.М.Ермак и др.), важны для изучения возможности их более широкого применения в медицине и пищевой промышленности. В течение многих лет разработанные в институте препараты на основе зостерина использовались в СССР в качестве детоксикантов для удаления тяжелых металлов; сейчас продолжается их изучение и совершенствование технологий их производства в промышленных масштабах. Недавно найдены новые структурные варианты каррагинанов из красных водорослей, планомерно изучаются фукоиданы из бурых водорослей и продукты их ферментативного расщепления.
Научному сообществу хорошо известны также исследования ферментов из морских макро- и микроорганизмов, осуществляемые в ТИБОХ в лабораториях химии ферментов (зав. лаб. д.х.н. Т.Н.Звягинцева) и морской биохимии (зав. лаб. к.б.н. В.А.Рассказов). Разработаны методы выделения, установлена первичная структура, предсказано компьютерными методами пространственное строение, изучены специфичность и другие свойства ряда карбогидраз, нуклеаз и щелочных фосфатаз. Ряд ферментов и их продуцентов запатентованы, опубликованы работы, в которых даны примеры их использования для
изучения мутаций в генах, с которыми связаны различные заболевания, и для получения с их помощью новых препаратов для медицины и сельского хозяйства.
В ИБМ успешно работает лаборатория сравнительной биохимии (зав. лаб. к.х.н. А.Б.Имбс), где выполняются исследования различных морских липидов, в первую очередь их жирнокислотный состав. Это открывает новые возможности для использования морских метаболитов в качестве маркеров при установлении пищевых связей в морских экосистемах, для изучения их роли в симбиозе кораллов и микроводорослей-зооксантелл, позволяет исследовать различные аспекты медицинского применения липидных препаратов.
Природные соединения из микроорганизмов
В 70-е годы прошлого века под руководством акад. Ю.С.Оводова в ТИБОХ ДВО РАН начато изучение липополисахаридов из патогенной бактерии Yersinia pseudotuberculosis - инфекционного агента, вызывающего дальневосточную скарлатиноподобную лихорадку. С 1985 г. в институте проводятся интенсивные исследования морских микроорганизмов, тогда же были созданы лаборатории морской микробиологии (зав. лаб. чл.-корр. РАН В.В.Михайлов) и химии микробных метаболитов (зав. лаб. к.х.н. Т.А.Куз-нецова). Одновременно создавалась коллекция морских микроорганизмов, чему благоприятствовало введение в строй уже упомянутого специализированного НИС «Академик Опарин», на борту которого имеются помещения, оснащенные для проведения микробиологических работ. Сейчас эта коллекция, являющаясяся членом WFCC и имеющая официальный акроним КММ 644, содержит около 5000 штаммов морских гетеротрофных аэробных моно- и дидермных бактерий и около 1000 штаммов грибов-микромицетов, собранных в более чем 30 морских экспедициях. Коллекция ежегодно пополняется и служит базой для многочисленных работ с микробиальными природными соединениями.
В результате скрининга нескольких тысяч штаммов установлено, что микроорганизмы тропических морей, как правило, биосинтезируют разнообразные биоактивные низкомолекулярные соединения, в особенности цитотоксины, а микроорганизмы умеренных и арктических вод чаще содержат необычные ферменты и другие биополимеры.
В настоящее время изучение микробных метаболитов проводится в нескольких лабораториях. Так, в лаборатории химии микробных метаболитов (возглавляется к.х.н. Ш.Ш.Афиятулловым) осуществляются поиск новых продуцентов, выделение и установление химического строения низкомолекулярных вторичных метаболитов из морских микроскопических грибов и бактерий. В результате многолетних исследований выделены и структурно идентифицированы антибиотики, сурфактанты, дитерпеновые глико-зиды, алкалоиды, тритерпеноиды, дикетопиперазиновые производные и другие физиологически активные природные соединения микробного происхождения. Например, недавно из морского изолята гриба Wardomyces inflatus получены новый цитостатик аспердемин, диорцинол, подавляющий рост грамположи-тельных бактерий Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis и дрожжевых грибов Candida albicans, и известный виридикатол [11] (рис. 3).
Рис. 3. Структуры аспермедина, диоцинола и виридикатола из морского изолята гриба W. inflatus
В лаборатории химии углеводов и липидов (зав. лаб. к.х.н. Н.А.Командрова) исследуются липополисахариды (ЛПС) морских бактерий [17]. Бактериальные полисахариды и олигосахариды известны огромным разнообразием своих структур и присутствием в них редких моносахаридов. Такие вещества в своем большинстве биосинтезируются только одним штаммом, видом или, в некоторых случаях, одной группой бактерий, обладают антигенными свойствами (стимулируют иммунный ответ организма хозяина). ЛПС могут использоваться для диагностики различных инфекций, а в некоторых случаях - в качестве вакцин. В институте ежегодно выделяют новые соединения этого химического класса, причем в основном в качестве их продуцентов исследуются морские бактерии. Так, с помощью химических методов, двумерной корреляционной ЯМР-спектроскопии и MALDI масс-спектрометрии недавно была установлена полная структура липоолигосахарида морской протеобактерии Shewanella pacifica KMM 3772 (рис. 4).
Glc/;-(1 —>2)-Нер/>-(1 —>6)-Нерр7РGгоA-(l ->5)-Kdo/>SN4R-(2 ->6)-GlcpN4P-(l -^6)-
Рис. 4. Структура липоолигосахарида из S. pacifica KMM 3772
Выделенное соединение представляет собой гептасахарид, причем в его состав вместо 3-дезокси-Э-манно-2-октулозоновой кислоты, обычного компонента ЛПС всех грамотри-цательных бактерий, входит ее 8-аминопроизводное - 8-амино-3,8-дидезокси-Э-манно-2-октулозоновая кислота. В положении С-5 она замещена остатком D-глицеро-D-манно-геп-тозы, этерифицированной в положении 7 остатком фосфоглицериновой кислоты. После открытия этого вещества и ряда других метаболитов из морских бактерий стало очевидно, что в ЛПС бактерий рода Shewanella обнаружен новый тип компоновки углеводной и липидной частей ЛПС по сравнению с аналогичными веществами из других бактерий.
Одновременно с изучением микробиальных природных соединений в ТИБОХ ДВО РАН выполняются представляющие большой интерес работы в области таксономии морских микроорганизмов (чл.-корр. РАН В.В.Михайлов). В частности, валидно описаны (с применением молекулярно-генетических и современных морфологических методов) более 100 новых видов и 40 новых родов морских бактерий, дана биохимическая характеристика многих из них.
свойства, биологические роли и молекулярные механизмы действия природных соединений
Многие природные соединения являются лабильными и легко подвергаются различным химическим превращениям. Хорошо известна, например, проблема нативных агликонов некоторых гликозидов. Суть ее заключается в том, что при попытке отщепления от таких веществ углеводных компонентов их неуглеводная (обычно стероидная или тритерпеновая) часть, называемая нативным агликоном, претерпевает изменения и превращается в так называемые артефактные (неприродные) генины. Это явление осложняло установление строения многих гликозидных соединений, например гинзенозидов из женьшеня и голотуринов из голотурий.
В ТИБОХ разработаны мягкие способы получения нативных агликонов и подробно изучены их химические трансформации. Например, установлено, что при гидролизе некоторых гликозидов из голотурий происходит неожиданная миграция двойной связи в тет-рациклическом тритерпеновом нативном агликоне из одного из трехзамещенных положений в четырехзамещенное, а затем в новое трехзамещенное положение, а в боковой цепи одна из двойных связей присоединяет в мягких условиях воду. Еще более интересные
превращения обнаружены в некоторых открытых учеными института терпеноидах. Например, необычный сесквитерпеноид аплидактон из моллюска Aplysia dactylomela в кислотной среде претерпевает сложную перегруппировку, которая связана с размыканием одного из четырехчленных циклов, вписанных в шестичленное ядро, последующим замыканием пятичленного цикла и образованием так называемого изоаплидактона [13] (рис. 5). Открытие такого рода необычных превращений - заметный вклад в развитие органической химии полициклических соединений.
Природные соединения как морского, так и наземного происхождения интересны не только присущими им физиологическими активностями, но и своими функциями в орга-низме-продуценте или биологических сообществах. Одни из этих соединений выполняют важные экологические роли, являясь чаще всего защитными агентами, другие облегчают добычу пищи, помогают найти особей противоположного пола для размножения, передают сигнал опасности, обеспечивают преимущества при борьбе за жизненное пространство и т.п.
Для целого ряда природных соединений, изученных в институте, установлены их важные биологические функции. Например, показано, что тритерпеновые гликозиды из голотурий синхронизируют созревание половых продуктов в этих беспозвоночных, астеро-сапонины содержатся в основном в наружных тканях морских звезд и защищают их от хищников, а стероидные моно- и дигликозиды из этих же животных делают более эффективным их пищеварение подобно желчным кислотам и желчным спиртам в позвоночных.
Некоторые природные соединения, открытые и изученные в ТИБОХ ДВО РАН, являются мощными антиоксидантами, проявляют иммуностимулирующие свойства, тормозят развитие патогенных микроорганизмов, демонстрируют канцерпревентивную и противоопухолевую активности (д.х.н. М.М.Анисимов, к.б.н. Д.Л.Аминин, к.х.н. С.А.Федоров). Большой объем фундаментальных исследований, выполненный при изучении физиологического действия природных соединений, включает изучение молекулярного механизма действия многих из них. Например, для некоторых мощных иммуностимуляторов гликозидной природы с помощью новейших методов протеомики и транскриптомики установлена способность стимулировать экспрессию целого ряда белков, участвующих в активации клеточного иммунитета. Найдено, что фукоиданы из бурых водорослей являются агонистами так называемых скавенджер-рецепторов класса А, ускоряют созревание дендритных клеток и усиливают продукцию фактора некроза опухолей. Поликар-пин и его синтетический аналог деметилполикарпин активируют фосфорилирование ХЫК-, р38- и ЕЯК-киназ, увеличивают р53-зависимую транскрипционную активность и
Изоаплид актом
Рис. 5. Перегруппировка аплидактона в изоаплидактон
фосфорилирование р53 по серину-15 [14]. Работы, выполненные с целью определения молекулярных основ действия природных соединений, стали возможны в результате научного сотрудничества с учеными из США, Германии и Республики Корея, а также появления в институте коллекции клеточных культур и ряда современных приборов.
Синтезы природных соединений
Не только выделение новых природных соединений и всестороннее изучение их свойств (от особенностей химических трансформаций до молекулярных механизмов биологического действия), но и полные синтезы ряда из них выполняются в институте (лаборатория органического синтеза природных соединений, зав. лаб. д.х.н. В.Ф.Ануфриев). Возможности современного органического синтеза очень велики и в принципе позволяют синтезировать вещества любой сложности. Хотя синтетический подход является лучшим способом обеспечить исследования физиологической активности наиболее перспективных низкомолекулярных соединений, включая их доклинические и клинические испытания, необходимыми количествами вещества, синтезы природных соединений, имеющих несколько асимметрических центров, и полициклических метаболитов остаются по-прежнему многостадийными и обычно дают целевые продукты с низкими выходами. Разработка эффективных синтезов природных соединений имеет огромное значение для развития органического синтеза и органической химии в целом. В ТИБОХ ДВО РАН это направление развивается уже многие годы. Его основные достижения трудно изложить в более или менее адекватном виде в рамках настоящей статьи. Можно только упомянуть некоторые из них и дать соответствующие литературные ссылки.
Физиологически активные гинзенозиды - минорные компоненты гликозидной суммы из женьшеня - синтезированы в ТИБОХ ДВО РАН из других, более доступных природных соединений, а именно из даммарановых спиртов, выделенных из листьев берез. Один из таких спиртов, бетулафолиентриол, использован, например, в синтезе гинзенозида Rg3 -минорного компонента корней одного из видов женьшеня - Radix rubra. Синтезированы также различные глюкопиранозиды панаксадиола и панаксатриола - метаболиты дальневосточного женьшеня Panax ginseng [7, 9].
Несколько полных синтезов эхинохрома А - физиологически активной субстанции медицинских препаратов серии «Гистохром» - осуществлены с использованием доступных исходных веществ, например товарного пирогаллола А и дихлормалеинового ангидрида. Суммарный выход целевого продукта в этих синтезах достигал приблизительно 40% [9]. Органическим синтезом получены также некоторые родственные пигменты, распространенные в морских организмах (иглокожие) и грибах, в том числе спиназарин, этилспи-назарин, спинохром D, спинохром Е, метилспиназарин, а в последние годы - эхинамин, ломазарин, норломазарин и др. (д.х.н. В.Л.Новиков, д.х.н. В.Ф.Ануфриев).
Особое место среди синтезов нафтохиноидных пигментов занимает синтез шиконина (противовоспалительного вторичного метаболита из воробейника краснокоричневого) из спиназарина. Впервые описанный в 1992 г., он и сейчас остается одним из наиболее эффективных из всех известных синтезов этого природного соединения [9].
Полные синтезы физиологически активных морских алкалоидов осуществляются в ТИБОХ ДВО РАН уже более 20 лет. Их отличает простота, доступность исходных веществ и используемых реагентов, высокие выходы промежуточных и целевых продуктов. Так, обладающий противоопухолевыми свойствами алкалоид поликарпин синтезирован из одного из производных ацетофенона в пять стадий с суммарным выходом более 30% [7, 9]. Синтез другого цитотоксического алкалоида - фаскаплизина - из триптамина в пять стадий был еще более эффективным [7, 9]. Когда одной из швейцарских фармацевтических фирм понадобилось наработать это вещество в количествах, необходимых для его доклинического изучения, она воспользовалась именно этим синтезом, хотя в настоящее время известно несколько других синтетических схем его получения.
В последние годы в институте синтезировано несколько метаболитов ряда фаскаплизи-на, разработан синтез циклической системы еще одного морского алкалоида - арнамина, синтезирован диметилубихинон Q2 и ряд других природных соединений. Изучены новые химические превращения, например реакции полигидроксинафтохинонов с альдегидами, синтез тиоаналогов нафтохиноидных пигментов и их гликозидов и др.
Заключение
Фундаментальные исследования природных соединений на Дальнем Востоке России отличает комплексный подход. Они ведутся по многим направлениям и включают поиск новых продуцентов физиологически активных метаболитов - скрининг (в который вовлечены морские и наземные организмы, в том числе микроскопические грибы и бактерии), а также выделение, установление химического строения самых различных природных веществ, изучение их свойств, биологических функций и органический синтез.
При этом используются самые современные методы - от молекулярно-биологических до физико-химических. Так, при скрининге наиболее перспективных объектов для дальнейших исследований применяется тестирование на различных клеточных культурах, в том числе на генетически измененных клетках, широко используются флюоресцентные метки и имидж-анализ. Для выделения природных соединений широкое применение нашли различные виды хроматографии, например недавно появившиеся ее варианты: высокоэффективная ион-парная и хиральная хроматографии высокого давления. При установлении строения различных метаболитов используются 2D ЯМР-спектроскопия и различные варианты масс-спектрометрии. Абсолютная конфигурация асимметрических центров устанавливается с использованием различных хиральных агентов. Для биоиспытаний применяются магнитно-резонансная томография, поточная цитометрия, конфокальная микроскопия, используются методы протеомики и транскриптомики, в некоторых случаях проводятся испытания ш silico для предсказания физиологической активности методом компьютерного докинга. В области органического синтеза разрабатываются такие схемы, которые обеспечивают высокие выходы целевых веществ и мягкие условия трансформации.
Выполнение фундаментальных исследований обеспечивает получение большого объема принципиально новых научных данных, высокую квалификацию сотрудников, хорошее знание ими научной литературы и методов исследования. Это делает возможным решение важных прикладных задач. Так, в стенах ТИБОХ ДВО РАН создано пять лекарственных препаратов, для которых выполнены все этапы доклинического и клинического исследования. «Гистохром для офтальмологии» и «Гистохром для кардиологии» выпускаются фармацевтической промышленностью страны [8], а противоожоговое средство «Коллагеназа КК» и гепатозащитный лекарственный препарат «Максар» [1] сейчас проходят процедуру перерегистрации в государственных органах. Медицинский препарат ранозаживляющего действия «Полимед» разрешен для применения в Республике Беларусь. Разработаны новые методы медицинской диагностики онкологических и инфекционных заболеваний с помощью изученных в ТИБОХ белков-поринов и лектинов.
В последнее время большую популярность приобрели различные лечебно-профилактические средства и пищевые добавки, корректирующие дефицит витаминов, антиоксидантов и микроэлементов, содержащие природные стимуляторы, пищевые волокна и другие полезные соединения. Кроме безалкогольных лечебно-профилактических бальзамов серии «Гербамарин» (к настоящему времени в ТИБОХ ДВО РАН создано четыре различных варианта таких бальзамов, которые обладают общеукрепляющим, гепатозащитным, кардиопротекторным и антидиабетическим действием, соответственно) в России выпускается еще несколько биологически активных добавок к пище, разработанных в ТИБОХ. К их числу относится полисахаридный препарат зостерин из морских трав, который
используется с 1986 г. в качестве высокоактивного полианионного сорбента, связывающего и выводящего из организма человека ионы тяжелых металлов и проявляющего гипохо-лестеринемическое, антибактериальное, противоязвенное и антиаллергенное действие.
В последнее время на опытно-технологической установке ТИБОХ начат выпуск новых пищевых добавок серии «Фуколам» и пищевой добавки «Каррагинан-ДВ». Ведутся доклинические испытания новых лекарственных препаратов, готовятся к выпуску новые биологически активные добавки к пище, разработанные в ТИБОХ и ИБМ. Готовы к доклиническим испытаниям и препараты, разработанные в БПИ ДВО РАН с участием ТИБОХ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Белобородова Э.И., Венгеровский А.И., Гайсаев Р.О., Саратиков А.С., Федореев С.А. Новое гепатозащитное средство - максар // Сиб. журн. гастроэнтерологии и гепатологии. 1999. № 8. С. 443-445.
2. Брюханов В.М., Зверев В.Ф., Федореев С.А., Азарова О.В., Булгаков В.П., Лампатов В.В., Веселова М.В., Инюшкина Ю.В. Клеточная культура Eritrichium sericeum Lehn. (Boraginaceae) - источник полифенольных соединений, обладающих фармакологической активностью // Хим.-фарм. журн. 2008. № 6. С. 32-35.
3. Васильева Е.В. История становления науки на Дальнем Востоке (начало XX в.-середина 1950-х годов) // Вестн. ДВО РАН. 2007. № 1. С. 114-128.
4. Володин В.В., Володина С.О., Дайнан Л., Ткаченко К.Т., Ши Лей, Канев В.А., Горовой П.Г. Результаты скрининга некоторых видов папоротников Северного Урала, российского Дальнего Востока и Китая на содержание экдистероидов // Растит. ресурсы. 2007. Т. 43. С. 77-84.
5. Воробьева Е.В., Дмитренок А.С., Дмитренок П.С., Исаков В.В., Красикова И.Н., Соловьева Т.Ф. Структура необычного липида А из морской бактерии Marinomonas communis ATCC 2718T // Биоорган. химия. 2005. Т. 31. С. 404-413.
6. Еляков Г.Б., Стоник В.А. Морская биоорганическая химия - основа морской биотехнологии // Изв. РАН. Сер. хим. 2003. № 1. С. 1-18.
7. Еляков ГБ. Природные соединения: синтез, химическое строение и биологическая активность: избр. тр. Владивосток: Дальнаука, 2007. 351 с.
8. Мищенко Н.П., Федореев С.А., Багиров В.Л. Новый оригинальный отечественный препарат гистохром // Хим.-фарм. журн. 2003. Т. 37, № 1. С. 49-53.
9. Новиков В.Л. Становление и развитие органического синтеза природных и родственных им соединений в ТИБОХ ДВО РАН // Вестн. ДВО РАН. 2005. № 4. С. 126-137.
10. Стоник В.А., Толстиков Г.А. Природные соединения и создание отечественных лекарственных препаратов // Вестн. РАН. 2008. Т. 78, № 8. С. 675-684.
11. Юрченко А.Н., Сметанина О.А., Калиновский А.И., Пивкин М.В., Дмитренок П.С., Кузнецова Т.А. Новый меротерпеноид из морского гриба Aspergillus versicolor (Vuill.) Tirab. // Изв. РАН. Сер. хим. 2010. № 4. С. 834-838.
12. Fedoreev S.A., Bulgakov V.P. Isoflavonoid composition of the Maackia amurensis callus culture // J. Biotechnol. 2008. Vol. 136(S). P. 140-141.
13. Fedorov S.N., Radchenko O.S., Shubina L.K., Kalinovsky A.I., Gerasimenko A.V., Popov D.Y., Stonik V.A. Aplydactone, a new sesquiterpenoid with an unprecedented carbon skeleton from the sea hare Aplysia dactylomela, and its Cargill-like rearrangement // J. Am. Chem. Soc. 2001. Vol. 123, N 3. P. 504-505.
14. Fedorov S.N., Bode A.M., Stonik V.A., Gorshkova I.A., Shmid P.C., Radchenko O.S., Berdyshev E.V., Dong Z. Marine alkaloid polycarpine and its synthetic derivative dimethylpolycarpine induce apoptosis in JB6 cells through p53- and caspase 3-dependent pathways // Pharm. Res. 2004. Vol. 21. P. 2307-2319.
15. Kicha A.A., Ivanchina N.V., Kalinovsky A.I., Dmitrenok P.S., Stonik V.A. Steroidal monoglycosides from the Far-Eastern starfish Hippasteria kurilensis and hypothetic pathways of polyhydroxysteroid biosynthesis in starfish // Steroids. 2009. Vol. 74. P. 238-244.
16. Makarieva T.N., Denisenko V.A., Stonik V.A., Milgrom Yu.M., Rashkes Ya.V. Rhizochalin, a novel secondary metabolite of mixed biosynthesis from the sponge Rhizochalina incrustata // Tetraedron Lett. 1989. Vol. 30, N 47. P. 6581-6584.
17. Nazarenko E.L., Komandrova N.A., Gorshkova R.P., Tomshich S.V., Zubkov V.A., Kilcoyne M., Savage A.V. Structures of polysaccharides and oligosaccharides of some Gram-negative marine Proteobacteria // Carbohydr. Res. 2003.Vol. 338. P. 2449-2457.
18. Stonik V.A., Mikhailov V.V., Bulgakov V.P., Zhuravlev Ju.N. Biotechnological studies in the Far-Eastern region of Russia // Biotechnol. J. 2007. Vol. 2. P. 818-825.
19. Stonik V.A., Kalinin V.I., Avilov S.A. Toxins from sea cucumbers (holothuroids): chemical structures, biosynthesis, and evolution // J. Nat. Toxins. 1999. Vol. 8. P. 235-248.
20. Utkina N.K., Denisenko V. A., Virovaya V.M., Scholokova O.V., Prokof’eva N.G. Two new minor polibromi-nated dibenzo-p-dioxins from the marine sponge Dysidea dendyi // J. Nat. Prod. 2002. Vol. 65. P. 1213-1215.
