Обмануть гриб
Как фосфоаналоги аминокислот защищают древние иконы от плесени
Плесень — один из главных врагов музейных шедевров. Особенно уязвимы древние иконы и картины, написанные темперой: яичная эмульсия, животный клей, мед, натуральные смолы — идеальная питательная среда для грибов.
Фото: iStock
Фото: iStock
Традиционные антисептики, пришедшие из медицины и сельского хозяйства, часто либо токсичны для людей, либо разрушают красочный слой, либо и то и другое. К тому же десятилетия использования ограниченного набора препаратов привели к появлению устойчивых штаммов плесени.
Ученые ФИЦ биотехнологии РАН, ИМБ РАН и их коллеги, включая специалистов Третьяковской галереи, предложили принципиально новое решение — фосфоаналоги аминокислот. Эти соединения избирательно проникают в клетки грибов (но не млекопитающих), нарушают их метаболизм, а некоторые даже лишают плесень защитной окраски. Они безопасны для живописи и водорастворимы, что расширяет их практическое применение. Результаты многолетней работы опубликованы в журнале Frontiers in Microbiology.
Как «обмануть» грибные транспортеры, почему Penicillium chrysogenum потерял цвет и когда новый антисептик появится в руках реставраторов — об этом «Ъ-Наука» беседует с ключевыми авторами разработки Александром Жгуном (ФИЦ биотехнологии РАН) и Алексеем Хомутовым (ИМБ РАН).
— Почему древние иконы и картины, написанные темперой, оказались особенно уязвимы для плесени и чем традиционные антисептики из сельского хозяйства и медицины не подходят для их защиты?
А. Ж.: Шедевры древнерусской иконописи оказались идеальной экосистемой для микроорганизмов-деструкторов. Причина уязвимости темперной живописи кроется в ее «органическом» составе, который представляет собой идеальный питательный субстрат для микроорганизмов-деструкторов и, в частности, плесневых грибов. Древнерусские мастера фактически создавали иконы из пищевых и природных компонентов. Основой красок служила яичная эмульсия, в грунт добавлялся животный клей, в качестве пластификатора использовался мед и другие органические компоненты. Защитный слой состоял из натуральных смол. Деревянная основа довершала эту белковую и углеводную экосистему, крайне привлекательную для биодеструкторов.
Спасение памятников культуры долгое время осложнялось тем, что традиционные антисептики заимствовались из медицины и сельского хозяйства. Такие соединения изначально не тестировали на совместимость с живописными материалами. Поэтому со временем выяснилось, что ряд таких соединений нарушают химические и/или физические свойства живописных материалов, могут искажать цвет пигментов, разрушать лаковый слой, могут быть токсичны. В связи с этим подобные антисептики изъяли из реставрационной практики, что привело к резкому сокращению палитры веществ, применяемых для защиты произведений живописи. Сегодня реставрационное сообщество полностью пересматривает арсенал биоцидов, изымая токсичные соединения прошлых лет ради поиска деликатных и специализированных формул.
— В чем главная инновация фосфоаналога аминокислоты, обеспечивающая его избирательную токсичность?
А. Х.: Начиная работу по созданию новых антисептиков, мы посчитали, что водорастворимые соединения могут в меньшей степени повреждать гидрофобный лакокрасочный слой по сравнению с традиционными антисептиками. Это заставило нас обратиться к производным аминокислот, в частности к фосфоаналогам аминокислот, в которых карбоксильная группа заменена на фосфорсодержащий фрагмент. Наши работы по изучению взаимодействия фосфоаналогов ряда аминокислот с некоторыми ферментами их метаболизма показали возможность субстратоподобных превращений таких аналогов, что приводит к новым фосфорсодержащим метаболитам, биохимические мишени которых a priori отличны от мишеней исходных аминофосфонатов. Подобный подход обеспечивает множественное воздействие на метаболизм гриба даже при использовании фосфоаналога одной аминокислоты. Эффективное проникновение таких аналогов аминокислот в грибы является одним из ключевых факторов, определяющих их биологическую активность. Как и ожидалось, эти соединения малоактивны в отношении клеток эукариот, обладающих высокоспецифичной системой транспорта аминокислот, которую, в отличие от аминокислотных транспортеров грибов, не удается «обмануть», заменив аминокислоту ее фосфоаналогом.
— Вы тестировали соединения на образцах микроорганизмов, взятых прямо из залов Третьяковской галереи. Какие грибы оказались самыми опасными «жильцами» музейных залов и есть ли среди них те, кто уже выработал устойчивость к традиционным антисептикам?
А. Ж.: Монополия популярных биоцидов в музейном деле привела к ожидаемому кризису: повсеместное применение ограниченного числа антисептиков, таких как «Катамин АБ» (бензалкония хлорида), сформировало у микроорганизмов-деструкторов резистентность, резко снизив эффективность реставрационных работ. Исследователи, изучившие залы Третьяковской галереи, выявили около двух десятков доминантных видов плесневых грибов. В лабораторных тестах на специальных макетах, имитирующих сложную структуру древнерусских икон, эти штаммы продемонстрировали высокую скорость разрушения материалов при оптимальной температуре и влажности. И хотя в самой Третьяковке строго соблюдаемый климат-контроль исключает риски для шедевров, ученые проводят превентивный поиск новых соединений — на случай любых нештатных ситуаций в музейных хранилищах.
— Один из ваших фосфоаналогов не просто остановил рост Penicillium chrysogenum, но и лишил его окраски. Что это значит? Вы нашли способ подавлять биосинтез пигментов? И почему это важно для сохранности живописи?
А. Х. и А. Ж.: Важнейшим оружием музейной плесени является ее собственная цветовая палитра. Синтезируемые грибами пигменты выполняют роль естественной брони, защищающей их от внешних угроз, тогда как лишенные окраски штаммы теряют былую устойчивость. Для реставраторов этот грибной колорит оборачивается катастрофой: он необратимо искажает авторские цвета живописи. В этих условиях поиск соединений, способных заблокировать биосинтез пигментов, синтезируемых грибами, стал одной из самых перспективных задач музейной химии. Нам удалось обесцветить желто-зеленый мицелий агрессивного гриба Penicillium chrysogenum с помощью оригинальных фосфоаналогов аминокислот. Ключевая ценность разработки заключается в том, что синтезированные вещества бьют по разным биологическим механизмам врага, исключая быструю адаптацию суперштаммов.
— Вы добавили соединение в осетровый клей — традиционный материал древнерусских мастеров. Почему тестирование на этом, а не на синтетическом связующем, было принципиально важным для реставрационной практики?
А. Ж.: Выбор клея животного происхождения в качестве экспериментальной модели продиктован требованиями аутентичности и масштабом его применения. В отличие от современных синтетических полимеров, натуральные клеи — это исторический стандарт древнерусской живописи, который и сегодня остается важнейшим инструментом в научной реставрации. Однако эти материалы критически уязвимы перед биологическими угрозами: животный клей является доступной «мишенью» для микроорганизмов-деструкторов. Использование в лаборатории именно этой, наиболее хрупкой и исторически достоверной модели позволило ученым оценить реальные масштабы рисков для колоссального массива музейных фондов и разработать антисептики, способные защитить самые уязвимые шедевры.
— Насколько новый антисептик превзошел стандартные препараты — «Катамин АБ» и пентахлорофенолят натрия? И главное, не повреждает ли он сам красочный слой и спектральные характеристики?
А. Х. и А. Ж.: Безопасность новых соединений для искусства подтвердил комплексный физико-химический аудит. Исследователи детально изучили влияние фосфоаналогов аминокислот на структуру и поверхность живописных материалов как на молекулярном, так и на макроуровне. Результатом скрининга стал отбор перспективных составов, показавших совместимость с осетровым клеем. Новые вещества не просто интегрируются в структуру памятников культуры без риска деструкции, но и формируют эффективный барьер, предотвращающий биопоражения. По эффективности защиты инновационные фосфоаналоги аминокислот вышли на уровень коммерческих стандартов, а в ряде тестов превзошли традиционные музейные антисептики, открывая путь к смене технологического уклада в научной реставрации.
— Проблема резистентности: десятилетия использования одного и того же узкого круга антисептиков привели к тому, что микроорганизмы адаптировались. Ваше соединение — это временное решение или принципиально новый механизм, к которому у грибов не скоро появится устойчивость?
А. Х.: Как мы уже отмечали, одно из важнейших отличий наших веществ от традиционных антисептиков — это их превращение в грибах в новые фосфорсодержащие метаболиты, мишени которых отличаются от мишеней исходного фосфоаналога аминокислоты. Подобная множественность действия вполне ожидаема для ряда исследованных нами фосфоаналогов, и для противодействия ей грибу требуется включать несколько уровней защиты — от выброса аналогов из клеток грибов до мутаций в соответствующих белках (ферментах). Все это снижает возможность адаптации гриба к новым биоцидам.
Появление устойчивых форм грибов вполне реально и аналогично появлению бактерий, резистентных к антибиотикам. Соответственно, рано или поздно грибы могут адаптироваться и к фосфоаналогу аминокислоты, что приведет к возникновению устойчивых штаммов. Однако следует отметить, что фосфоаналоги различных аминокислот имеют независимые механизмы действия. Поэтому наше исследование заложило страховку на случай появления устойчивости. В этом случае можно будет просто использовать активный аналог другой аминокислоты.
— Разработка объединила биологов, химиков-синтетиков, аналитиков и реставраторов. Какая стадия была самой сложной — синтез, тестирование на микроорганизмах или валидация на реальных артефактах без их повреждения?
А. Х. и А. Ж.: Трудно однозначно ответить. На каждом этапе этого многолетнего исследования были свои сложности. Выбор инструмента исследования — фосфоаналогов аминокислот — был сопряжен с определенными рисками. Заранее невозможно было предсказать, будут ли вещества активны, даже несмотря на определенные предпосылки, полученные в ходе наших предыдущих исследований, которые и определили выбор этого класса аналогов аминокислот в качестве биоцидов. Мы испытали полтора десятка фосфоаналогов аминокислот. Получение многих из них потребовало проведения трудоемких многостадийных синтезов.
Самым же «узким горлышком» проекта стала интеграция на стыке дисциплин. Мало было создать панель принципиально новых антисептиков — критически важно было заставить их корректно работать внутри сложных многослойных моделей, имитирующих уязвимую органику древнерусской живописи. Именно этот междисциплинарный барьер между чистой химией и консервативной реставрационной практикой и стал главным вызовом для команды.
— Что дальше? Когда новый антисептик может появиться в арсенале реставраторов Третьяковской галереи и других музеев и какие барьеры — от токсикологических испытаний до технологий нанесения — еще предстоит преодолеть до массового внедрения?
А. Х. и А. Ж.: Токсикологические испытания, как in vitro, так и in vivo, конечно, необходимы, и это в наших ближайших планах. Технологии нанесения могут несколько отличаться от традиционных антисептиков, так как наши вещества водорастворимы, что снижает риск повреждения гидрофобного лакокрасочного слоя, и это является одним из преимуществ наших антисептиков.
Переход от лабораторных макетов к реальным шедеврам уже начался. В недавней публикации в международном научном журнале Journal of Cultural Heritage наша команда показала, что один из фосфоаналогов аминокислот эффективно подавляет рост грибов, выделенных с иконы XVI века «Деисусный чин из 13 фигур». Фактически это открывает дорогу к коммерциализации и масштабированию технологии в реставрационном секторе.