Вклад профессора Е. В. Барковского в молекулярную биологию

Статья посвящена памяти Евгения Викторовича Барковского (18.05.1946— 26.12.2015), доктора биологических наук, профессора, заведующего кафедрой общей химии Белорусского государственного медицинского университета. Приведен обзор его основных научных достижений в области биохимии, биофизики, молекулярной эволюции, геномики, протеомики и биоинформатики на протяжении 50 лет активной творческой деятельности.

В конце 2015 г. наш мир покинул выдающийся исследователь и педагог, заведующий кафедрой общей химии Белорусского государственного медицинского университета, доктор биологических наук, профессор Евгений Викторович Барковский (18.05.1946—26.12.2015). Внезапная смерть от тяжелой болезни оборвала его творческую деятельность. Многие проекты, над которыми Евгений Викторович работал в последние годы, еще предстоит завершить его последователям. Вся его научная деятельность свидетельствует о том, что любой научный проект не только заканчивался каким-то конкретным ожидаемым результатом, но и давал начало для целой серии новых тем научных исследований.

Вклад Евгения Викторовича Барковского в науку нельзя охарактеризовать какой-то одной идеей или единственным выдающимся открытием по той причине, что на протяжении своей карьеры он решил множество проблем в разнообразных областях биологии и медицины. В статье приведены лишь некоторые наиболее яркие его достижения на протяжении 50 лет активной творческой работы: Евгений Викторович является автором более 300 научных статей и 10 монографий, научным консультантом по 2 докторским диссертациям и научным руководителем 7 кандидатских диссертаций.

Первой студенческой научной работой Евгения Викторовича был обзор трудов К. Шеннона [1], применившего основы теории информации к изучению биологических объектов. Такое задание от заведующего кафедрой общей химии В. А. Бандарина кружковец получил не случайно: за год до поступления в Минский государственный медицинский институт он выиграл олимпиаду по математике среди учащихся Минска. Будучи кружковцем, Евгений Викторович освоил смысл такого понятия, как энтропия (сначала это была информационная энтропия из теории К. Шеннона). Расчет информационной энтропии стал одной из отличительных черт многих последующих научных трудов Евгения Викторовича [2]. Что касается термодинамической энтропии, то именно с лекции Евгения Викторовича о химической термодинамике, в которой энтропия является ключевым понятием, начинали свое обучение в медицинском институте (впоследствии университете) многие поколения студентов.

В процессе работы над докторской диссертацией Евгений Викторович познакомился с трудами зарубежных и отечественных исследователей, изучавших зависимость вторичной структуры белков от их аминокислотного состава. В те времена (конец 70-х — начало 80-х годов прошлого столетия) кристаллографические исследования только начали внедряться в биохимию и биофизику: количество установленных трехмерных структур составляло всего 50—60. Исследователи обращали внимание на аминокислотный состав альфа-спиралей или бета-тяжей [3], на чередование аминокислотных остатков [4]. Евгений Викторович предложил рассчитывать дипептидный состав элементов вторичной структуры [5]. Такой инновационный подход способствовал созданию собственного метода предсказания вторичной структуры, основанного на частотах встречаемости 400 комбинаций из двух аминокислот [6]. Кроме того, карты распределения аминокислотного состава в формате 20 на 20 позволяли определять структурный класс белка (преимущественно альфа-спиральный, преимущественно бета-структурный или смешанный) [7]. Такие работы в то время относили к чистой (сухая) биохимии. Все расчеты Евгений Викторович провел без вычислительной техники по причине полного ее отсутствия в те годы. Результаты трудов оценили не только в пределах СССР, но и в дальнем зарубежье.

На новом этапе к вопросам формирования вторичной структуры Е. В. Барковский вернулся через три десятилетия. За это время количество известных трехмерных структур белков увеличилось на несколько порядков, процесс обработки данных вручную стал физически невозможным, а «сухая» биохимия (в связи с активным использованием компьютерных технологий) получила название «биоинформатика». Новые исследования принесли неожиданные результаты: была создана оригинальная вероятностная шкала для предсказания вторичной структуры [8], найдены различия в аминокислотном составе участков белков, лишенных вторичной структуры, в зависимости от того, какие структуры их фланкируют, выделены два основных подтипа спиралей 3/10 [9].

Важной проблемой биохимии белка является поиск функционально важных участков, ответственных, в том числе, за связывание с другими белками или ионами. К этой проблеме Евгений Викторович подошел, имея за плечами опыт работы с вероятностными шкалами и дипептидами. На доступной в то время выборке белков были рассчитаны вероятности встречаемости каждой из пар аминокислотных остатков. Сравнение этих частот с теоретически рассчитанными показало, что некоторые комбинации встречаются гораздо реже, чем это можно было бы ожидать [10]. Такими комбинациями, как оказалось, часто отличаются особенно консервативные фрагменты белков, несущие важные функции.

Поиск консервативных фрагментов полипептидов привел Евгения Викторовича к изучению методов установления филогенетических взаимоотношений между гомологичными белками различных биологических видов [11]. За этим последовало увлечение теорией молекулярной эволюции. К эволюции отдельных белков и кодирующих их генов в наибольшей степени подходила теория нейтральности М. Кимуры [12]. В конце 90-х годов условия начали благоприятствовать проведению широкомасштабных филогенетических исследований. Банки данных генетической информации уже содержали по крайней мере по одной нуклеотидной последовательности данного гена от каждого рода животных (сейчас в них находятся полные геномные последовательности не только отдельных видов, но и многочисленных особей каждого вида, не считая тысяч последовательностей генов, так или иначе вовлеченных в развитие того или иного заболевания). Новая информация об эволюции аденилатциклаз [13] и алкогольдегидрогеназ [14], тесно связанная с их функциональными особенностями, не заставила себя долго ждать.

К проблеме биохимии алкоголизма Евгений Викторович вернулся на новом этапе: по разработанной им методике был проведен анализ влияния этанола на активность пируваткиназы [15] и фосфофруктокиназы [16]. Особенность методики заключалась в том, что взаимодействие этанола с ферментом изучалось в эксперименте на 3 уровнях; in vivo (на лабораторных животных), in vitro (на гомогенате клеток) и in silico (на трехмерных структурах ферментов).

Появление международных баз данных с полными геномными последовательностями прокариотических организмов (бактерии и архи) и вирусов заставило найти новые способы их обработки. Для интерпретации полученных данных была привлечена теория мутационного давления Н. Суеока [17]. Синтез теории нейтральной эволюции, теории мутационного давления и оригинальных идей привел к выявлению ряда ранее неизвестных закономерностей. Мутационное давление, как оказалось, приводит к упрощению (снижение информационной энтропии) аминокислотного состава белков [18]. Однако преимущественное направление нуклеотидных замен не является чем-то постоянным ни для отдельных геномов, ни для генов. Нуклеотидный состав каждого отдельного гена также изменяется в ряду поколений неравномерно в различных фрагментах [19]. Основная же причина неравномерности в частотах возникновения нуклеотидных замен находится в самой молекуле ДНК. Так, в геномах архей (археобактерии) возле точек начала репликации насыщенность ДНК гуанином и цитозином ниже, чем возле точек конца репликации [20]. Эта закономерность была открыта в 2010 г. в одной из работ Е. В. Барковского. На следующий год она получила экспериментальное подтверждение: в геноме одного из видов архей точки начала репликации находятся именно там, где было предсказано [21].

Проблема изменчивости нуклеиновых кислот впервые заинтересовала Евгения Викторовича еще в конце 90-х годов прошлого столетия, когда в процессе изучения токсического воздействия свинца на культуру клеток он обнаружил феномен выделения экстраклеточной ДНК [22]. На том этапе развития науки такое явление сочли артефактом. Впоследствии выяснилось, что описанный выше процесс выделения фрагментов ДНК действительно существует [23]. От использования соединений свинца в качестве присадки к бензину вскоре отказались — пришло время новых, менее токсичных соединений, например, комплексов марганца. Особенностям сайтов связывания марганца и магния на белках посвящена последняя, вышедшая посмертно, научная статья Е. В. Барковского [24].

В начале своей карьеры Евгений Викторович освоил биохимические и биофизические методы исследования, с помощью которых изучал механизмы свертывания крови, структуру и функцию фибриногена, плазминогена и тромбина [25]. В более поздний период спектр обновленных инструментальных методов применен им для анализа структуры и функции кальмодулина [10], а также антигенных свойств оригинальных коротких пептидов, соответствующих фрагментам поверхностных белков вирусов и бактерий [26]. Процесс дизайна таких антигенных пептидов полностью основывался на биоинформатичеких методах по расчету вероятности несинонимичных нуклеотидных замен в гене и предсказания вторичной структуры в белке.

Экспериментальное исследование процесса развития катаракты хрусталика глаза привело к открытию биохимического механизма, ответственного за его помутнение: ковалентных «сшивок» между боковыми цепями ароматических аминокислотных остатков молекул кристаллина [27]. Эта работа удостоена Государственной премии в 2001 г. Установление механизма развития того или иного заболевания всегда открывает пути для более рационального лечения (или профилактики) данной патологии. Евгений Викторович стал соавтором нескольких способов коррекции метаболических нарушений при катаракте.

Вклад Е. В. Барковского в развитие биоинформатики оценен НАН Беларуси — в 2012 г. он получил премию НАН Беларуси. Действительно, он успешно выполнял исследования в этой области науки еще до того, как она получила свое нынешнее название.

Учебно-методическая работа Евгения Викторовича всегда шла бок о бок с научной. Научные достижения активно внедрялись в образовательный процесс. Программа по предмету «общая химия» обогащалась сведениями о биологических и медицинских аспектах изучаемых тем. В 2013 г. вышел учебник по предмету «общая химия». В 2016 г. под редакцией Е. В. Барковского выходит исчерпывающее учебнометодическое пособие по неорганической химии для студентов фармацевтического факультета. Работу над будущим учебником по физической и коллоидной химии Евгений Викторович не прекращал даже в самые тяжелые дни борьбы с внезапно обнаруженной у него болезнью.

Евгений Викторович Барковский — пример исследователя, никогда не останавливающегося на достигнутом. При этом каждая новая тема не начиналась для него с чистого листа, а была поводом приложить все накопленные им ранее знания к решению очередной научной проблемы. Именно так и формировались научные проекты, лежащие на «стыке» нескольких дисциплин, результаты которых были признаны не только отечественной, но и мировой научной общественностью.

Контактная информация:
Хрусталёв Владислав Викторович — к. м. н., и.о. зав. кафедрой общей химии.
Белорусский государственный медицинский университет. 220116, г. Минск, пр. Дзержинского, 83; e-mail: vvkhrustalev@mail.ru.
Конфликт интересов отсутствует.

Л И Т Е Р А Т У Р А
1.    Shannon С. E. A mathematical theory of communication. Bell System Technical Journal. 1948; 27: 379—423.
2.    Барковский E. В., Бандарин В. А., Колб В. Г. Изменение информационных характеристик белков при туберкулезе: Материалы 3-й биохим. конф. Прибалт. респ. и Белорусской ССР. Минск; 1968: 35—40.
3.    Chou P. Y. Fasman G. D. Prediction of the secondary structure of proteins from their amino acid sequence. Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol. 1978; 47: 45—8.
4.    Пим В. И. Стереохимическая теория вторичной структуры глобулярных белков. II. Методы локализации альфа-спиральных и бета-структурных регионов. Биофизика. 1974; 19: 562—75.
5.    Barkowsky Е. V. Prediction of the secondary structure of globular proteins by their amino acid sequence. Acta Biol. Med. Ger. 1982; 41: 51—8.
6.    Барковский E. В., Кириленко Д. В. Карты преимущественного конформационного состояния дипептидов в структурированных участках глобулярных белков. Биофизика. 1985; 30: 786—90.
7.    Барковский E. В. Предсказание структурного класса глобулярных белков по их аминокислотной последовательности. Биофизика. 1985; 30: 782—5.
8.    Khrustalev V. V., Barkovsky Е. V. Stabilization of secondary structure elements by specific combinations of hydrophilic and hydrophobic amino acid residues is more important for proteins encoded by GC-poor genes. Biochimie. 2012; 94: 2706—15.
9.    Khrustalev V. V., Barkovsky E. V., Khrustaleva T. A. The influence of flanking secondary structures on amino acid content and typical lengths of 3/10 helices. Int. J. Proteomics. 2014; doi: 10.1155/2014/360230e.
10.    Пансевич П. И., Барковский E. В. Особенности распределения сочетаний аминокислотных остатков в первичной структуре кальмодулина. Биофизика. 1990; 35: 581—4.
11.    Nei M., Kumar S. Molecular Evolution and Phylogenetics. Oxford University Press, New York; 2000. 352 p.
12.    Кимура М. Молекулярная эволюция: теория нейтральности. Пер. с англ. М.: Мир; 1985. 394 с.
13.    Барковский E. В., Ачинович О. В. Мембраносвязанные аденилатциклазы: монография, Минск: БГМУ; 2005. 134 с.
14.    Бутвиловский А. В., Барковский E. В., Бутвиловский В. Э. Молекулярная эволюция алкогольдегидрогеназ класса I хордовых животных. Бел.мед. журнал. 2005; № 4: 30—3.

Ключевые слова: , , , ,
Автор(ы): Хрусталёв В. В., Хрусталёва Т. А.
Медучреждение: Белорусский государственный медицинский университет, Институт физиологии НАН Беларуси