«Сперматозоїд працює на електриці, і у нього є свій GPS»: Біолог Поліна Лишко - про те, як її відкриття допоможе створити новий контрацептив

 Американський репродуктивний біолог Поліна Лишко, що отримала премію геніїв, розповіла про те, чим відрізняються сперматозоїди мишей і людей і чому за триста років досліджень ми все ще мало знаємо про найдрібнішої і, мабуть, найважливішою клітці чоловічого організму.

Останні чотирнадцять років Поліна Лишко займається вивченням найдрібнішої клітини в людському організмі - сперматозоїда. За опис молекули, що допомагає сперматозоїдам орієнтуватися в просторі, на початку листопада Лишко була удостоєна стипендії Макартура - нагороди, яку присуджують ученим, художникам і письменникам, «демонструє виняткові досягнення і потенціал для довгої і плідної творчої роботи».

Кар'єра Поліни Лишко - приклад американської мрії в науці. Лишко народилася в Києві, закінчила Інститут фізіології імені Богомольця, де займалася дослідженням нейронів. Після кілька років провчилася в США: спочатку в Гарвардській медичній школі, потім в університеті. Отримавши науковий ступінь, остаточно перебралася з чоловіком, теж вченим, в Америку. Сьогодні можна сказати, що наукова кар'єра Поліни Лишко відбулася: вона керує однією з біологічних лабораторій в університеті Берклі.

Bird in Flight поговорив з вченим і дізнався, через що вона відчувала себе аутсайдером в науці, чому вони з чоловіком навчили біологів усього світу і що спільного у сперматозоїдів і глистів.

Стипендія Макартура - щорічна американська премія, яку з 1981-го присуджує фонд філантропа і бізнесмена Джона Макартура. Згідно зі статутом стипендії, грошова винагорода - це не нагорода за минулі досягнення, а вкладення в «оригінальність і потенціал людини». Премія присуджується діячам науки і культури і вважається однією з найпрестижніших в США.

Стипендіатами MacArthur Award в різний час ставали Роберт Сапольски, Сьюзен Зонтаг, Томас Пинчон. Яке вам знаходитися в такій компанії?

Ви мене збентежили. Я знала, що премія престижна, але не здогадувалася, що серед стипендіатів такі відомі імена.

Якщо чесно, її присудження стало для мене сюрпризом.

Як відреагували, коли дізналися?

Мені подзвонили з невідомого номера: «Знайдіть місце, де вас ніхто не буде чути, я зараз вам дещо скажу». Так мені повідомили, що я виграла MacArthur Award. Потім попросили протягом місяця нікому не розповідати про те, що я виграла премію. Слухаючи це, я все чекала, коли у мене попросять номер банківського рахунку та пароль від карти. Мені здавалося, що я говорю з шахраями, що це якийсь жарт. Я повірила, тільки коли мені прийшов офіційний лист.

Чи не говорити нікому протягом місяця - до чого така таємничість?

Можна було сказати тільки одній людині - я розповіла чоловікові.

Оголошення результатів повинно викликати фурор. Тому організаторам було важливо, щоб інформація не просочилася в мережу. Такі правила.

Розмір премії - більше 600 тисяч доларів. Всі гроші ви повинні витратити на дослідження?

Так. Але виплачувати їх будуть протягом п'яти років. У США такі гроші відразу ніхто не дає.

Як ви вже сказали, цю премію отримували багато: і люди науки, і люди мистецтва. Але якщо для письменника 600 тисяч доларів - це великі гроші, то для лабораторії - не дуже. Для порівняння: один з грантів, які ми отримали, - близько мільйона доларів. Його дають на п'ять років, і він йде на те, щоб підтримувати роботу лабораторії: на зарплати, стипендії, реагенти, на підтримку колоній лабораторних тварин - мишей, щурів. Все це коштує дуже дорого. Я вже не кажу про те, що половину грошей з'їсть податок. Хоча можливо, зроблять поблажку і відсоток буде менше, адже ця сума йде на науку.

Але гроші в даному випадку не так важливі, як престиж.

Що зараз відбувається на передовій репродуктивної біології?

Сучасна репродуктивна біологія досліджує відкриту в 1980-х роках Фертілізация (запліднення) в пробірці.

Щоб провести її, беруть одну яйцеклітину і кілька десятків тисяч сперматозоїдів - тобто в рази менше, ніж в природних умовах, коли в жіночі репродуктивні шляху потрапляють мільйони сперматозоїдів. До яйцеклітини допливають одиниці, найсильніші, тому що на шляху у них стоять колосальні перешкоди. Головне питання репродуктивної біології звучить так: як для запліднення в пробірці вибрати правильну яйцеклітину і сперматозоїди. Відсоток вдалого штучного запліднення дуже маленький, від 15% до 30%.

Головне питання репродуктивної біології звучить так: як для запліднення в пробірці вибрати правильну яйцеклітину і сперматозоїди.

Відповідь на озвучений питання дозволив би нам впоратися з багатьма випадками безпліддя, яке руйнує життя людей. Адже воно б'є по самооцінці.

У чому складність вибрати сперматозоїд, у якого вийде запліднити яйцеклітину?

Це можна зробити тільки візуально. Але чемпіона можна знайти лише в тому випадку, коли зі спермою все окей. Буває, що сперматозоїд просто не може допливти до яйцеклітини. Тоді ми захоплюємо його піпеткою і встромляє в яйцеклітину. Ця процедура називається IntraCytoplasmic Sperm Injection. Але і тут потрібно розуміти, кого вставляти: адже сперматозоїдів багато, а нам потрібен всього один.

У шкільному підручнику з біології за дев'ятий клас є схематичне зображення сперматозоїда. Дивлячись на нього, легко здогадатися, як працюють ці клітини. Ви вивчаєте сперматозоїди чотирнадцять років. Що там так довго можна вивчати?

Коли Антоні Левенгук винайшов мікроскоп, перше, на що він вирішив подивитися, була сперма (на що ж ще можна було подивитися?). Після цього він намалював перший схематичне зображення сперматозоїда. Виходить, що ми вивчаємо ці клітини більше трьохсот років, але все одно наші знання дуже поверхневі. Адже сперматозоїд не просто клітка, він - чудовий наноробот, в якому все зроблено з розумом. Сперматозоїд працює на електриці, у нього є умовний GPS, який підказує йому, куди плисти. Там багато чого можна вивчати. Наприклад, як працює його GPS, як працюють сенсори, як працює хвіст і мотільность (внутрішнє рух клітин з низькою частотою і малою амплітудою. - Прим. Ред.).

А як вийшло, що за триста років ми так і не зрозуміли, як правильно вибрати сперматозоїд, який може запліднити яйцеклітину в пробірці?

У різних тварин сперматозоїди різні. Вони відрізняються формою, зовнішнім виглядом, швидкістю руху, та й системою навігації. У цьому розмаїтті, власне, і проблема: всі ці роки ми вивчали фертильність на мишах і морських їжаках. Тепер ми всі знаємо про сперму цих тварин, але застосувати отримані знання до людини не можемо - бо людські сперматозоїди зовсім інші.

Всі ці роки ми вивчали фертильність на мишах і морських їжаків, але застосувати отримані знання до людини не можемо - бо людські сперматозоїди зовсім інші.

У мишачого сперматозоїда головка вигнута, як серп, у людського - плоска і овальна. Людські сперматозоїди швидше і менше, ніж мишачі. Цікаво, що чим менше організм, тим більше у нього сперматозоїд. Найбільший сперматозоїд у мушки дрозофіли: його довжина - близько трьох міліметрів, це майже розмір самої мушки. Найменший у синього кита.

Ви зараз працюєте з людськими сперматозоїдами?

Не тільки, ще з мишачими, щурячими, бичачими, свинячими і сперматозоїдами мавп. Зі спермою великих тварин приємно працювати: щоб роздобути її, їх не потрібно вбивати (в цьому сенсі мишам не пощастило). Бичачі і свинячі ми купуємо на фермі. Сперму мавп беремо в одній лабораторії. Там є спеціально навчені примати.

Навчені чому - мастурбації?

Так, виявляється, вони дуже швидко цьому вчаться. Але як вчені їх тренують, я не знаю, це не моя спеціальність.

Скільки коштує сперма тварин?

Сперму мавп ми не купуємо, лабораторія, з якої ми коллаборіруемся, дає нам її безкоштовно. А так би вона коштувала кілька сотень доларів. У биків, свиней - від 20 до 100 доларів за тюбик. Навіть волонтерам, яких ми розшукуємо в кампусі університету, ми платимо. Безкоштовно ніхто цього робити не хоче.

Цікаво, що більшість людей мастурбують кожен день, не отримуючи за це ні копійки.

Так, але то для себе, а це для науки.

У книзі «Війна сперми», яка вийшла в 1997 році, англійський біолог Робін Бейкер стверджував, що природний відбір триває навіть у піхву жінки, де сперма різних чоловіків може влаштовувати справжні війни. Розвиваючи свою гіпотезу, він писав, що сперматозоїди поділяються на кілька типів. Наприклад, є сперматозоїди-кілери і сперматозоїди-камікадзе, які жертвують собою, щоб вбити сперматозоїд іншого самця. Ви вивчаєте сперму півтора десятиліття. Скажіть, це правда?

Вперше чую про цю книгу.

Скажу більше, було кілька статей, які показали, що у полігамних видів тварин відбуваються цікаві речі. Припустимо, якісь види мишей, які живуть в піщаних дюнах, полігамні, тобто одна самка запліднюється декількома самцями. Так ось, сперматозоїди одного самця в статевих шляхах самки можуть створювати конгломерат - свого роду купу голів і сотень хвостів. Вони плавають швидше, ніж один. Тобто вони не б'ються з суперниками, їм ніколи, у них гонки: хто швидше, той і виграв.

Сперматозоїди одного самця в статевих шляхах самки можуть створювати конгломерат - купу голів і сотень хвостів. Вони плавають швидше, ніж один.

Людина не полігамії. Запліднює НЕ запліднюють, але переможе той сперматозоїд, який швидше за інших плаває і може пройти стадії трансформації в жіночих статевих шляхах. Крім того, є гіпотеза, що у сперматозоїдів полігамних видів шия довша, ніж у моногамних. У ній знаходяться мітохондрії, які продукують енергію. Тобто у полігамних видів сперматозоїди конкурують так. У людських сперматозоїдів дуже коротка шия - вона їм не потрібна, вони конкурують інакше. Тому якщо ці війни і відбуваються, то точно не у людей. Може бути, у наших давніх предків таке було, але не у нас.

Давайте поговоримо про науку. Пишуть, що ви довго не могли знайти фінансування для своїх досліджень. Чому?

В Америці, де ми в основному отримуємо фінансування, є National Institutes of Health, який дає гранти всім вченим. Він розділений на кілька інститутів, я подавалася на грант у напрямку National Institute of Child Health and Human Development (Національний інститут дитячого здоров'я і людського розвитку). Кожен інститут дає різну кількість грошей, у кожного є свій показник ймовірності отримання гранту. Припустимо, в якомусь інституті загальної медицини він дорівнює 20%. Це означає, що зі ста чоловік, що подалися на грант, гроші отримають двадцять. Так ось, в інституті, в який подавалася я, цей показник становить 6%. Це означає, що конкуренція набагато вище і гроші отримують дослідники, які прийшли в цю область раніше мене. Я ж за освітою нейробіолог і нейрофізики, в репродуктивну біологію прийшла недавно. Біофізик в репродуктивної області - це ні туди ні сюди. Було складно, люди мене не брали. Напевно вони думали: «Якісь електричні струми в сперматозоїдах - навіщо це треба?» Я була аутсайдером.

Навіщо ж ви пішли в репродуктивну біологію?

Це був виклик. Крім того, перед тим як прийти туди, я працювала в нейрофізики і офтальмології. Це дуже конкурентні області. Вчені там як павуки в банці: ніхто не співпрацює, кожен намагається вкрасти ідею у сусіда. А репродуктивна біологія виявилася більш камерної. Але потрібно сказати, що вона не вважалася престижною галуззю науки, тому грошей на неї не давали, та й зараз нечасто дають.

Чому?

Сьогодні в репродуктивної біології працює менше людей, ніж, наприклад, в cancer biology (біологія раку. - Прим. Ред.). Уявіть, що у нас є дві однаково класні статті: одна по cancer biology, друга по репродуктивної біології. Перша отримує колосальну кількість цитат, а друга немає. Чому? Тому що cancer biology займаються 3 тисячі вчених, а репродуктивної біологією всього 500.

Йдемо далі. Є таке поняття - «імпакт-фактор»: це чисельний показник цитованості статей, опублікованих в даному науковому журналі. Чим він вищий, тим крутіше журнал. Наприклад, у Natural Sciences імпакт-фактор більше сорока, тобто це крутий журнал. Всі журнали ганяються за цитованістю. Стаття на тему, цікаву кільком сотням дослідників, які не цитуватиметься, а значить, її опублікують не в Natural Sciences, а в виданні гірше. Молоді вчені подивляться на неї і махнуть рукою на всю галузь, тому що молодим людям потрібна кар'єра, визнання, престиж, а без публікацій в солідному журналі цього не отримати. Такий ось замкнуте коло.

Молоді вчені не йдуть в репродуктивну біологію, тому що їм потрібна кар'єра, визнання, престиж. Без статей в солідних журналах, що не беруться публікувати матеріали про репродуктивну біології, цього не отримати.

Але репродуктивна біологія дуже перспективна, за нею майбутнє, тому що багато людей хочуть планувати свою сім'ю і хочуть мати дітей in vitro fertilization (запліднення яйцеклітини поза організмом, тобто мова йде про запліднення в пробірці. - Прим. Ред.).

Ваш чоловік теж досліджує статеві клітини. Перший прорив у вашій науковій кар'єрі відбувся після того, як він зміг виміряти електричну активність одиничного сперматозоїда. У чому була значимість цього відкриття?

Щоб виміряти електричну активність сперматозоїда, потрібно було взяти крихітну піпетку і, як присоски, приліпити до «спині» сперматозоїда. Потім потрібно було пробити дірочку і в цьому проміжку між піпеткою та мембраною отримати електричний доступ до клітки, щоб почати вимірювати електричні струми, які йдуть через мембрану. Сперматозоїд - найменша клітина в організмі людини, яка до того ж рухається дуже швидко. Механічно вимірювати його електричну активність складно. Мало того, мембрана сперматозоїда, до якої потрібно було присмоктатися піпеткою, дуже щільно натягнута. Уявіть обідній стіл, поверхня якого вкрита клейонкою, - ось так же щільно натягнута мембрана, схопити її було неможливо. Мій чоловік Юра розробив методику, яка дозволила це зробити. Він простудіював в бібліотеці купу літератури 60-х років і знайшов на сперматозоїдах елемент, за який їх можна ловити.

Мій чоловік знайшов на сперматозоїдах елемент, за який їх можна ловити. Раніше зловити саму дрібну клітинку людського організму було складно.

Ми з чоловіком публікувалися. І оскільки ніхто, крім нас, не володів цим методом, я змогла побудувати кар'єру. Потім ми, звичайно, навчили інших біологів ловити сперматозоїди, і ринок став більш конкурентоспроможним.

У чому суть відкриття, за яке ви отримали премію?

Ми описали основні таргети - молекули, необхідні для нормальної роботи сперматозоїдів. Вони були на сперматозоїдах завжди, просто люди не знали, як ці молекули регулюються. Тепер ми знаємо.

Чим вони примітні?

Унікальність цих молекул, які ми ще називаємо іонними каналами, в тому, що вони є тільки на сперматозоїдах.

Тут важливо пояснити, що ми працювали з кальцієвими каналами (Casper): по такому каналу кальцій потрапляє всередину сперматозоїда. Якщо цього не відбувається, то сперматозоїд втрачає здатність рухатися і не може запліднити яйцеклітину. Цей канал - основа руху сперматозоїдів. Він допомагає їм орієнтуватися в просторі, змінювати траєкторію руху, знаходити яйцеклітину. Але головне, завдяки цьому каналу сперматозоїди стають більш мотивной. Вони починають асиметрично мотати хвостом, перетворюючись у свого роду міні-свердло, яке пробуріваются собі шлях. Добираючись до яйцеклітини, сперматозоїди в цьому режимі мотільності просвердлюють у ній шлях для себе.

А ми знайшли молекулу, яка запускає цей режим, без неї сперматозоїд навіть не може його включити. Крім того, ми зрозуміли, як ця молекула активізується на самому початку, коли яйцеклітина тільки починає виробляти прогестерон, по градієнту якого сперматозоїд рухається до яйцеклітини, як по GPS. Грубо кажучи, молекула, яку ми описали, є одночасно і вмикачем режиму свердла, і GPS-датчиком, за допомогою якого сперматозоїд знаходить дорогу до жіночої статевої клітині.

Ми знайшли молекулу, яка запускає у сперматозоїда режим свердла. Без нього він не зможе запліднити яйцеклітину.

Як це можна використовувати в контрацепції?

Якщо ми знайдемо селективний інгібітор цього каналу, ми створимо чоловічий і жіночий контрацептив.

Спробую спростити: якщо ви знайдете речовина, яке зможе вимикати режим свердла, то відкриєте новий протизаплідний. Так?

Абсолютно вірно. Ми вже знаємо, що самці мишей і чоловіки, в кальцієвих каналах яких є мутації (або цей канал відсутній), стерильні. Причому в іншому їх сперматозоїди абсолютно нормальні. Вони плавають навколо яйцеклітини, але проникнути в неї не можуть.

Повернемося до речовини, яке буде вимикати режим свердла. Що це може бути?

У нас є кілька кандидатів, але їх поки не можна використовувати, тому що вони дають різний ефект, їх ще потрібно тестувати.

Де ви їх знайшли?

Є рослини, які виробляють трітерпеноїди, речовини, за структурою нагадують статеві гормони - прогестерон і тестостерон. Рослини їх виділяють для того, щоб захиститися від комах, які їх їдять: трітерпеноїди блокують розвиток личинок комах. Тобто діють за принципом протизаплідних.

Працюючи паралельно над іншим проектом, два аспіранти з моєї лабораторії (дівчинка і хлопчик - розумні хлопці) знайшли ще одну речовину. Аспіранти дивилися не тільки на гіперактивацію, а й ще і на те, як сперматозоїди виробляють енергію, - а їм її потрібно дуже багато. Проводять енергію сперматозоїди за допомогою мітохондрій і інших механізмів. І ось аспіранти знайшли речовину, яка називається ніклозамід. Воно використовується в фармації вже шістдесят років як протиглисний, на сьогодні це один з найбезпечніших препаратів. Ніклозамід проходить через шлунково-кишковий тракт і не всмоктується, але глистів, які знаходяться там, вбиває. Як він це робить? Просто: він вимикає у них механізм виробництва енергії. Звичайно, сперматозоїди не глисти, але в організмі жінки вони - чужорідні тіла.

Загалом, ми показали, що ніклозамід діє на сперматозоїди, не даючи їм виробляти достатньо енергії. При цьому він їх не вбиває, але перетворює в поганих плавців.

Ми відкрили, що ніклозамід, який використовується проти глистів, не дає сперматозоїдам виробляти енергію, але при цьому не вбиває їх.

Словом, думаю, скоро на ринку з'явиться новий продукт. Це буде вагінальна плівка або спеціальний супозиторій, який буде містити ніклозамід.

Як він буде вводитися в організм жінки - у вигляді гелю?

Так. Він буде вводитися в організм жінки і протягом 5 днів або тижнів перебувати всередині. Жінка фертильна тільки протягом 24 годин. І ось цей тиждень, коли яйцеклітина готується вийти, легко перевірити за допомогою комп'ютерних програм, які за цим циклом стежать. Тому якщо жінці ввести ліки протягом тижня, то їй не потрібно буде пити таблетки кожен день.

І це ліки не гормональне?

Ні. Мало того, воно не буде всмоктуватися в організм.

Якщо у вас все складеться ідеально, ви винайдете, по суті, два контрацептірующіх препарату. Один буде для жіночої контрацепції, а другий - для чоловічої. За який вболіваєте?

Я б зробила ставку на ніклозамід, негормональний жіночий контрацептив. Тому що речовина вже показало свою ефективність. Тобто зрозуміло, що потрібна тільки його комбінація з носієм, але, по суті, це готовий препарат.

Іншим потрібно ще пройти всі стадії досліджень, довести свою ефективність.

Що стосується чоловічої контрацептиву, ми підозрюємо, що це буде таблетка. Що вийде, коли вона буде проходити через печінку, шлунково-кишковий тракт, поки не зрозуміло.

Завдання контрацептиву більш складна, ніж у протипухлинного препарату. Другий повинен бути токсичним і вбивати клітку. А контрацептив ми даємо здоровим людям, і вони після прийому повинні залишатися здоровими.

Завдання контрацептиву більш складна, ніж у протипухлинного препарату, який просто вбиває клітину.

Мені здавалося, що ви ідейний вчений, який прагне відкрити чоловічу негормональну контрацепцію і зняти з жінок тягар відповідальності за вагітність.

Ні, я не активіст. Я просто вважаю, що контрацепцію потрібно зробити більш ефективною. Тому що з 1960-х років нічого нового на ринку так і не з'явилося.

Те, що у нас зараз буде сильно працювати, - це негормональні жіночі контрацептиви. Вони теж дуже допоможуть, адже не будуть нікого калічити і вбивати, а будуть просто запобігати запліднення.

Хіба таких препаратів ще немає?

Є, але вони гормональні. Жінка приймає їх системно, тобто вони йдуть в організм, де запускають купу всяких нехороших процесів і призводять до різних наслідків: тромбозу, ожиріння, до колосального кількості депресій. Беручи різні контрацептиви в молодості, до 40-50 років жінки отримують підвищений ризик остеопорозу.

Але при цьому жіночі контрацептиви знижують ризик раку молочної залози.

Так. Щось знизили, але глаукома, остеопороз теж не цукор. Ми навчилися змінювати гени, а все ніяк не можемо придумати щось просте і ефективне для жіночої контрацепції. А чоловічих контрацептивів взагалі не існує, хоча багато чоловіків не проти ними користуватися. У нашій лабораторії є студент, який хоче їх створити. Ось він ідейний, для нього це мета.

Чи вірите, що такий препарат можна створити?

Так, але зірвати цей фрукт буде не так просто. Можна придумати що завгодно, але якщо препарат не буде безпечним, то в виробництво він не піде.

Ви людина, яку мотивують виклики, але при цьому ви не хочете «зірвати фрукт» і вписати своє ім'я в історію, створивши негормональну контрацепцію для чоловіків. Як так?

Є така приказка: вчені - це люди, які намагаються задовольнити свій і нтерес за рахунок платників податків. Мій челлендж в тому, щоб дізнатися, як влаштовані сперматозоїди на молекулярному рівні. Застосування знань на практиці - це класно, але не самоціль.

Коли ти проводиш експеримент і отримуєш дані, які до тебе ніхто не бачив, то переживаєш такий сплеск адреналіну, ніби ти альпініст, тільки що підкорив вершину. Ось де справжній драйв!

Джерело