Kitabı oxu: «Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии»

Посвящается Грэму Митчисону (1994–2018)

© 2018 by Venki Ramakrishnan

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2020

© Издание на русском языке ООО Издательство «Питер», 2020

© Серия «New Science», 2020

Отзывы

«Поворотным моментом в науке стало открытие структуры рибосомы – затейливого крошечного двигателя самой жизни. В ее состав входит таинственная молекула РНК, которая действовала до появления ДНК и белков. Открывая очертания и детали рибосомы при помощи кристаллографии, ученые поняли, что в этой структуре спрятан ключ к определению понятия “жизнь”. В поистине детективной истории, рассказанной с юмором и подробностями, Венки Рамакришнан повествует, как он, иммигрант из Индии, смог собрать нужных людей, идеи и инструменты, чтобы в сотрудничестве (а порой и в соперничестве) с коллегами прийти к замечательным достижениям, апогеем которых стала Нобелевская премия. Если вам интересно, как делается наука, – прочтите эту книгу».

Мэтт Ридли, автор книг «Геном: наука, раскрывшая тайну бессмертного гена человека: автобиография вида в 23 главах»¹ и Francis Crick: Discoverer of the Genetic Code («Фрэнсис Крик.

Первооткрыватель генетического кода»)

«Захватывающая и воодушевляющая книга “Генетический детектив” рассказывает о мире науки, природе открытий и фундаментальных вопросах биологии XX в. Венки Рамакришнан – один из ведущих специалистов, занимавшихся расшифровкой молекулярных основ трансляции белков, предлагает нам головокружительный сюжет, полный научных подробностей и гуманистического посыла. “Генетический детектив” продолжает традицию “Двойной спирали”², где в центре внимания находится сам процесс развития науки: движение рывками, соперничество, ошибки и заблуждения, ведущие к истине. Автор – некогда далекий от биологии рибосом физик – с позиции стороннего наблюдателя анализирует смысл научных премий и конкуренции между учеными (полагаю, его замечания повлияют на современную научную культуру). Он пишет так честно, ярко и увлекательно, что я просто не мог отложить книгу, пока не прочел ее до конца».

Сиддхартха Мукерджи, автор книг «Царь всех болезней: биография рака»³ и The Gene («Ген»)

«Рибосома – это центральный процессор, расшифровывающий уникальный машинный код жизни, и история рибосом разворачивается бок о бок с историей ДНК. Можно сказать, что Венки Рамакришнан – в своем роде новый Джеймс Уотсон. Так же как и в «Двойной спирали», воспоминания автора сочетают тактичность с обезоруживающей прямотой. В его личном и честном рассказе состязательные амбиции, которыми он руководствовался, уравновешены с размышлениями о потенциально порочном влиянии крупных премий. Книгу “Генетический детектив” нужно читать и перечитывать как документ по истории науки».

Ричард Докинз

«Рассказ о погоне за истиной, спрятанной в молекулярной машине, способной превращать гены в организмы, примечателен откровениями о том, как на самом деле творится наука реальными людьми со своими талантами и недостатками. Венки Рамакришнан рассказывает о многолетних попытках разобраться в миллионе атомов рибосомы и об ученых, мечтающих постичь основы жизни, проторить путь к новым антибиотикам и разделить лавры Нобелевской премии».

Роджер Хайфилд, директор по внешним связям Группы музеев истории науки

Предисловие к русскому изданию

Когда я узнал, что мои мемуары «Gene Machine», посвященные исследованию структуры рибосомы, будут опубликованы на русском языке, то пришел в восторг. К моему удивлению, русское издание озаглавили весьма загадочно – «Генетический детектив».

К России и ее культуре я питаю давний интерес. Еще в Индии подростком я брал вечерние уроки русского языка и был большим поклонником русской литературы, музыки и шахмат. Позже, став физиком, я приобрел все книги «Курса теоретической физики» Ландау и Лифшица. А когда уже по-настоящему начал работать над рибосомами, то осознал, насколько большим являлся институт Александра Спирина в Пущино – центр по исследованию рибосом.

Именно в этом институте, в группе Марии Гарбер, были кристаллизованы малые субъединицы и рибосома целиком. Мне посчастливилось познакомиться с Марией Гарбер в 2001 году, когда я посетил Пущино на 70-летие академика А. С. Спирина. Она была чрезвычайно гостеприимна. До этого мы переписывались несколько лет, и когда я работал над книгой, она дала мне почитать свои мемуары, где описала, как ее группа получила кристаллы. Жаль, что это не принесло ей известности, тем более, что она помогла подготовить некоторых ведущих ученых по рибосомам, в том числе Марата Юсупова, который продолжил работать с Гарри Ноллером, а затем проводил важные исследования самостоятельно.

Надеюсь, что моя книга поможет исправить такое упущение и проиллюстрирует вклад России в важную область молекулярной биологии. Я также надеюсь, что российским читателям понравится история о том, как аутсайдер от мира науки включился в гонку за решение сложной проблемы в молекулярной биологии и составил конкуренцию некоторым хорошо зарекомендовавшим себя группам ученых.

Венки Рамакришнан

Предисловие

Это личная история об опыте, который автор приобрел, будучи студентом, профессором и ученым-экспериментатором, разбирающим один из древнейших фундаментальных процессов: синтез белков. Страсть к открытиям, боязнь ошибки, личные и профессиональные терзания, которыми усеяна дорога к научному успеху, открываются на страницах этой увлекательной книги.

Взгляды автора уникальны сразу в нескольких отношениях. Как иммигрант, перебравшийся сначала в Америку, а затем в Англию, и как физик, вошедший в сферу биологии, он рассказывает свою историю от лица чужака, желающего приобщиться к новому научному и социальному миру. В его подходе к исследованиям сочетаются принадлежность и обособленность, рвение и отчаяние. Это рассказ о научном открытии как таковом: о познании структур той самой машины, которая считывает генетический код и транслирует его последовательности нуклеиновых кислот в цепочки аминокислот, образующих все белки, необходимые для жизни на Земле. Рибосома, состоящая из большой и малой субъединиц, показана здесь во всей красе, а собственные работы автора демонстрируют молекулярные основы механизмов малой субъединицы, посредством которых лекарства-антибиотики блокируют работу бактериальных рибосом, искореняя микробные инфекции. Описание работы над структурой малой субъединицы, от первых исследований ее компонентов до последующих амбициозных попыток ее очистить и кристаллизировать, – это вдохновляющая история об изобретательности, везении и, в конце концов, успехе.

А еще это книга о профессиональных дилеммах, интуитивной прозорливости, человеческой природе научных исследований. Любой крупный научный прорыв зависит от вклада множества людей, их взаимодействия и вынужденных отступлений. Не всегда ясно, как возникает идея – в сознании одного человека или в процессе дискуссий. На ученого давят как соперничество, так и собственные победы. Нобелевской премией по химии 2009 года отмечены заслуги Ады Йонат и последующие достижения Венки Рамакришнана и Тома Стейца в разгадке структур рибосомных субъединиц. И автор обращает наше внимание на то, что одна премия может быть вручена не более чем трем лауреатам, несмотря на важность вклада других ученых. Перед нами воспоминания, а не объективное историческое эссе. Те, кто изучают естественные науки и научную методологию, найдут в них свежий взгляд на процесс научного открытия и порой мучительный путь к новым знаниям. Это образец увлекательной научно-популярной литературы, который ценен и как изложение фактов, и как разбор эмоциональной составляющей научной работы и достижений.

Дженнифер Дудна

Пролог

Оглядываясь назад, я удивляюсь, каким малозаметным оказался ее визит. Был один из хмурых осенних дней 1980 года. Небольшое объявление на доске в Йельском университете анонсировало лекцию с туманным названием. Явившись туда, я легко нашел свободное место напротив докладчицы – кроме меня озаботились прийти всего несколько специалистов.

Она шагала, лучась уверенностью и даже отвагой. После краткого представления пригласившего ее лица она принялась описывать суть работы своей берлинской группы, занятой получением кристаллов, представляющих собой колоссальные сборки молекул, участвующих в трансляции генов в белки. Тогда получение кристаллов было ключевым этапом на пути к расшифровке их структуры.

После лекции мы не забросали ее вопросами, поскольку не поняли, на что годится ее работа. Нас только ошеломило, что кому-то удалось заставить такие крупные и аляповатые частицы выстраиваться в правильные объемные столбики молекул, образующих кристалл. Пока мы шли по коридору обратно к себе в лаборатории, один мой коллега поддел другого, сказав: «Как же так вышло, что ты даже крошечного кусочка кристаллизовать не можешь, а она собрала эту штуку целиком?» Однако ее кристаллы были еще недостаточно хороши и не структурировались, а тогда никто еще даже не представлял, как описать форму настолько крупной единицы. Мы сошлись на том, что это было любопытное явление, но ни у кого не было ощущения, что мир изменился и мы должны бросить то, чем сейчас занимаемся.

Я и не подозревал, какую роль эта исследовательница, Ада Йонат, сыграет в моей жизни в течение следующих трех десятилетий: мне предстояло тягаться с нею и другими, приближаясь к пониманию объекта, лежащего в основе жизни, а потом занять место между Адой и кронпринцессой Швеции на нобелевском банкете.

Глава 1
Новые планы в Америке

Покидая Индию, я страстно мечтал стать физиком-теоретиком. Мне было девятнадцать, я только что окончил университет в Вадодаре. Поступать в аспирантуру за границей до получения магистерской степени в Индии было не принято, но я жаждал скорее отправиться в Америку. Для меня это была страна не только возможностей, но и моих кумиров, таких как Ричард Фейнман, чьи знаменитые лекции по физике⁴ меня очень вдохновляли. Кроме того, там уже находились мои родители: отец проводил творческий отпуск в Университете штата Иллинойс в Урбане.

Поскольку мое решение уехать было принято в последний момент, я не сдавал тест GRE, обязательный для поступления в американскую аспирантуру, и в большинстве университетов мои документы даже не рассматривали. Университет штата Иллинойс был готов меня принять, но из-за юного возраста только в качестве студента колледжа с двухлетним кредитом на обучение. В те годы ни один индус среднего достатка не мог позволить себе обучение и проживание в Америке. Тогда-то мой декан из Вадодары показал мне письмо из Университета штата Огайо, в котором к нему обращались с просьбой рассказать перспективным студентам об их аспирантской программе. Я впервые слышал об Университете штата Огайо, но мне понравилось, что там есть компьютер модели IBM System/360, генератор Ван де Граафа и преподаватели – выпускники первоклассных университетов. Там не выдвигали обычного требования о сдаче GRE и приняли меня с финансовой поддержкой. После традиционной нервотрепки при собеседовании на соискание студенческой визы в консульстве США в Бомбее я купил билет в мою землю обетованную.

Сразу после окончания выпускных экзаменов я вырвался из индийского пекла и отправился в Америку. В пути я простудился, а сам полет казался нескончаемым – у нас были стоянки в Бейруте, Женеве, Париже и Лондоне, прежде чем мы приземлились в Нью-Йорке. Далее я пересел на самолет до Чикаго, а затем долетел еще одним коротким рейсом до Шампейн-Урбаны. Ступив на асфальт в аэропорту 17 мая 1971 года, я ощутил самый леденящий порыв ветра в жизни.

Внезапное погружение в жизнь американского колледжа немного меня шокировало. Индийские студенты жили размеренно, консервативно одевались и усердно учились; многие, как и я, продолжали жить с родителями. Ухаживания и тем более добрачные связи были редкостью. В Америке 1971 года, где еще продолжались шестидесятые, я выглядел ботаном: короткая стрижка, очки в толстой черной оправе и оранжевые туфли, которые были велики размера на два. Американские студенты казались представителями совершенно иной породы: парни в рваных джинсах и с волосами длиннее, чем у девчонок. Девушки же в соблазнительных шортиках и облегающих топах казались практически голыми по сравнению с индусками. В кампусах по всей Америке протестовали против войны во Вьетнаме. Как-то вечером, испытывая смесь любопытства и сочувствия, я сходил на пацифистский митинг. Смотрелся я там весьма экзотично, но потом нашел в сторонке двух ребят постарше, которые были коротко острижены и одеты в такие же, как у меня, дешевые полиэстеровые штаны и рубашки. Я подошел к ним, пытаясь быть максимально приветливым, но они встретили меня холодно и даже подозрительно. Потом я узнал, что это были агенты ФБР, следившие за смутьянами.

Лето я провел, посещая курсы в Университете Иллинойса, устранял пробелы, оставшиеся после образования в Вародаре. В августе я уехал с родителями и сестрой в милый холмистый городок Афины в южном Огайо, где мне предстояло провести ближайшие несколько лет. Первая проблема, с которой я столкнулся, – найти жилье. Зарплата ассистента преподавателя позволяла снять маленькую квартирку, где я мог бы сам себе готовить. Мы отвечали на газетные объявления об аренде, но безуспешно. Был вариант, где хозяйка сказала, что такая квартира имеется, но когда мы через несколько минут явились ее посмотреть, дама, взглянув на меня, заявила: «Только что сдали». Так я столкнулся с американским расизмом. В тот отпуск квартиру найти не удалось, так что я записался в общежитие и первый год просуществовал, питаясь преимущественно сырными сэндвичами в кафе.

Несмотря на скудное меню, общежитие очень мне пригодилось – там я сразу обзавелся группой друзей и смог избежать изоляции и геттоизации. Приятели быстро помогли мне влиться в ритм жизни американского колледжа. В первую же субботу мы пошли на американский футбол. Матч организовали с такой помпой (чирлидеры, шарфы, громкоговорители), что сама игра просто меркла.

Еще одно достоинство общежития – расположение корпуса рядом с факультетом физики. Нашими соседями были несколько аспирантов, и мы привыкали к аспирантуре в дружеском научном кружке. Аспиранту-физику обычно полагалось год-два работать над курсовой, сдать обширный экзамен и лишь потом приступать к серьезным исследованиям. Я справился с курсовой и письменной частью экзамена, но под конец устной части я ощутил первые звоночки потери интереса к физике. Меня спросили, о каких недавних физических открытиях я читал, – я не смог назвать ни одного и только после некоторых наводящих вопросов сформулировал, какая область кажется мне интересной. Однако экзамен я все равно сдал и решил работать под научным руководством Томоясу Танаки – признанного теоретика в области физики конденсированного состояния. К тому времени меня уже занимали вопросы биологии, и я включил их в мой план диссертации. Поскольку ни я, ни Томоясу совершенно не разбирались в биологии, эти предложения были чистой фантазией, и вскоре я от них отказался.

Приступив к работе над диссертацией, я осознал, что практически не представляю, как выделить ключевые вопросы, не говоря уж о том, как к ним подступиться. Я находил утешение в общении: выступал за университетскую шахматную команду, ходил гулять с моим другом Судхиром Кайкером, знакомился с западной классической музыкой, общаясь с другим приятелем, Тони Гримальди, и вообще занимался чем угодно, – только не диссертацией. Томоясу был хрестоматийно вежливым японцем, который иногда мог зайти ко мне в лаборантскую и поинтересоваться, как продвигаются дела, – и я придумывал очередную отговорку, почему никак не продвигаются. Так продолжалось пару лет. Часто я говорил, что будь у меня такие студенты, как я, то сам бы их всех отчислил!

Рис. 1.1. Автор – аспирант по физике в Университете Огайо

Внезапно все изменилось, когда я встретил Веру Розенберри – недавно расставшуюся с мужем женщину, у которой была четырехлетняя дочь. Общие друзья решили нас познакомить, возможно, потому, что мы оба были вегетарианцами – редкость на юге штата Огайо семидесятых годов. Я даже не заподозрил, что наша первая встреча была подстроена: мы просто оказались на большой вечеринке по случаю Дня благодарения. Друзья, видя, что я ничего не понял, пригласили меня на ужин, где, кроме меня и Веры, была еще одна пара. Вера поразила меня и умом, и красотой, однако я решил, что «не вышел» для такой девушки и вряд ли она мной заинтересуется. Поэтому познакомил ее с моим другом, пригласив на ужин его и Веру вместе с дочерью Таней. Часть вечера я провел за играми с Таней, чтобы Вера с моим другом могли свободно поболтать. Именно мой друг мне подсказал, что Вера, кажется, интересуется мной, а не им, и тем более ко мне присматривается, заметив, как здорово я поладил с ее дочерью. Несмотря на мой столь несуразный дебют, между нами вспыхнул бурный роман, продлившийся менее года. После ее развода мы поженились. Двадцати трех лет от роду я оказался женат и обрел пятилетнюю падчерицу.

Именно брак заставил меня сосредоточиться на карьере. Вера хотела еще одного ребенка, и передо мной замаячила перспектива содержать семью, но я не представлял, чем заниматься дальше. Казалось несомненным, что если я продолжу путь физика, то проведу остаток жизни за скучными вычислениями, так и не дойдя до реальных открытий. В молекулярной биологии тогда разворачивались перемены, сравнимые с теми, которые физика претерпела в начале XX века и начало которых связано с открытием структуры ДНК. Практически в каждом выпуске Scientific American сообщалось о крупном прорыве, и казалось, что такие достижения даже мне под силу. Поэтому, несмотря на свое только базовое понимание биологии, я принял решение поступать в аспирантуру еще раз, на этот раз по новой специальности, утешая себя тем, что на подобный переход уже решались многие блестящие ученые: Макс Перуц, Френсис Крик и Макс Дельбрюк.

Я написал в несколько ведущих университетов, но во многих из них не желали принимать соискателя, уже готовившегося к защите кандидатской диссертации. Два отклика мне особенно запомнились. Первый от Франклина Хатчинсона из Йеля – дружелюбное письмо, в котором тот сообщал, что готов разослать мое резюме коллегам, на случай если кому-то захочется пригласить меня в качестве постдока⁵. Откликнулись двое таких коллег: Дон Энглман и – теперь это кажется иронией судьбы – Том Стейц. Я поблагодарил их обоих и написал, что недостаточно подкован для работы постдока, поэтому предварительно постараюсь подучиться. Полной противоположностью письму Хатчинсона стал ответ Джеймса Боннера из Калтеха. В письмах я указывал, что достаточно молод – мне было всего двадцать три – и поэтому планирую повторно поступить в аспирантуру. Боннер пристыдил меня за то, что я кичусь своим возрастом, добавив, что он тоже получил степень кандидата наук в двадцать три, и в его семье это сочли неуспеваемостью. Он также указал, что набор упомянутых мною дисциплин – аллостерия, мембранные белки и нейробиология – его совершенно не удивляет, ведь это самые раскрученные области биологии. Заметил, что сначала мне следовало бы показать свои способности в этих дисциплинах, и заключил, что в Калтех меня бы не приняли даже студентом. Вероятно, он не читал роман «Уловка-22» о взаимоисключающих правилах. К счастью, Дэн Линдсли из Калифорнийского университета в Сан-Диего принял меня на биологический факультет в качестве аспиранта со стипендией. Тем более отрадно было то, что Вера и Таня горели желанием перебраться в Калифорнию, жить со мной на скудную стипендию, завести малыша, заботиться о нем – и все это без машины.

С трудом я набрал достаточно работ, чтобы из них получилась удовлетворительная диссертация по физике. Наш сын Раман родился через месяц после моего кандидатского экзамена. Пару недель спустя мы с другом выехали из Огайо в Калифорнию на грузовике «Райдер» со всеми нашими пожитками, а Вера и дети в компании моей тещи прибыли ко мне через неделю. Как только мы обосновались на новом месте, я серьезно взялся за учебу. Стояла осень 1976 года.

В биологии меня сразу поразило, какое огромное количество фактов требуется знать. Вводные лекции для аспирантов-новичков были переполнены непонятными терминами. Я записался сразу на целую кучу студенческих курсов по генетике, биохимии и клеточной биологии, одновременно с этим успевая заниматься ротациями – проектами в разных лабораториях для аспирантов-первокурсников, которые в Америке призваны помогать соискателю определиться с темой диссертации. Поскольку мои физические исследования ограничивались чистой теорией, я совершенно не представлял себе, как ставить опыты. И я научился этому во время ротации в лаборатории Милтона Сайера, исследовавшего поглощение сахара бактериями. Там проводился такой эксперимент: в исходный момент добавлялось некоторое количество радиоактивной глюкозы в бактериальную культуру, а затем измерялось, сколько глюкозы оказалось в бактериальных клетках в различные моменты времени. Объем глюкозы, которую требовалось добавлять, был невероятно мал: около 20 мкл (менее 1 % от объема чайной ложки). Как измерить такой объем? Я спросил. Обучавшая меня лаборантка весьма любезно показала мне прибор под названием «дозатор»: в сущности, это трубка с поршнем, который можно двигать вверх или вниз на заданный шаг. Коллега объяснила, как устанавливать число на циферблате, набирать нужную дозу и по окончании немного проталкивать поршень, чтобы убедиться, что трубка полностью опорожнена. «Это все», – сказала она. Я взял прибор, окунул его в радиоактивную глюкозу и услышал: «Какого черта ты творишь? Нужен наконечник!» Прибор считался настолько стандартным инвентарем, что она просто забыла рассказать мне об одноразовом пластиковом наконечнике, защищающем носик дозатора от загрязнения при контакте с образцом.

Переезд с маленькими детьми не слишком способствовал вниканию в новую дисциплину. Однако мне исключительно повезло, что Вера начала иллюстрировать детские книги и могла работать дома. Она практически полностью взяла на себя заботу о детях и домашнее хозяйство, позволив мне сосредоточиться на учебе. Первый курс я оканчивал с оптимизмом, поскольку уже приобрел достаточные знания в биологии и лабораторный опыт. На втором курсе я стал работать вместе с Маурисио Монталем, который изучал белки, пропускающие ионы сквозь тонкие липидные оболочки. Но оказалось, что в его лаборатории я не задержусь надолго. По воле случая мне пришлось снова пересечь всю страну, чтобы приступить к работе над одной из древнейших и самых важных биомолекул.

Глава 2
Знакомьтесь: рибосома

Стоит упомянуть ДНК, как почти все понимающе закивают в ответ. Все мы знаем – или думаем, что знаем, – что такое ДНК. Эта молекула определяет нашу сущность: кто мы такие и что от нас унаследуют дети. Она превратилась в метафору, описывающую фундаментальные свойства почти чего угодно. «Это у них в ДНК» – говорим мы, даже рассуждая о какой-нибудь корпорации.

Однако, заговорив о рибосоме, вы рискуете наткнуться на непонимание даже у некоторых ученых. Несколько лет назад в радиоэфире передачи «Материальный мир» на ВВС Квентин Купер сказал мне, что гость с прошлой передачи просто возмутился, что на обсуждение глаза было выделено всего полвыпуска, а какой-то обычной молекуле (рибосоме) посвятили целый выпуск. Важно не только то, что большинство компонентов глаза формируется благодаря рибосомам – практически любая молекула в любой клетке любого организма собирается либо благодаря рибосомам, либо под действием ферментов, которые на них синтезируются. На самом деле, пока вы это читаете, рибосомы в каждой из триллионов клеток вашего тела успевают сделать тысячи белков. Миллионы существ обходятся без глаз, в то время как рибосомы нужны любому организму. Открытие рибосомы и ее роли в синтезе белков – это кульминация одного из величайших триумфов в истории современной биологии.

Прибыв в Калифорнию для изучения биологии, я, как и большинство физиков, понятия не имел о рибосоме и весьма приблизительно представлял, что такое ген. Знал, что в генах заключены признаки, наследуемые от предков и передаваемые потомкам. Оказалось, что все гораздо интереснее. Это информационные единицы, обеспечивающие развитие полноценного организма из единственной клетки, например из оплодотворенного яйца. Хотя практически во всех клетках содержится полный набор генов, в разных тканях активируются разные совокупности генов, поэтому нервная клетка отличается по свойствам от эпителиальной. Но что же такое гены?

В широком смысле ген – это участок ДНК, содержащий информацию о том, как и когда синтезировать белок. Белки выполняют тысячи биологических функций. Например, обеспечивают мышечные сокращения, позволяют воспринимать свет и тепло, осязать, бороться с болезнями, даже мыслить и запоминать. Многие белки, называемые ферментами, катализируют химические реакции, при которых в клетке синтезируются тысячи других молекул. Итак, белки отвечают не только за структуру и форму клетки, но и за ее функционирование.

Открытие того факта, что информационная единица из ДНК служит для синтеза белка, стало вершиной творческого десятилетия, которое началось с публикации классической статьи Джеймса Уотсона и Френсиса Крика о двойной спирали ДНК в 1953 году. Эта структура позволяет сделать вывод, как молекула работает, передает информацию и самовоспроизводится, но долго оставалось тайной, как клеточная информация дублируется при делении клетки и как потомки наследуют эту информацию при репродуктивном цикле.

Рис. 2.1. Структура ДНК

Когда Уотсон экспериментировал с картонными шаблонами азотистых оснований, его осенила блестящая идея: он осознал, что аденин (A) из одной спирали может образовывать химическую связь (пару) только с тимином (T) из другой спирали, тогда как гуанин (G) из одной спирали аналогичным образом соединяется с цитозином (C) из другой. Контуры любой пары оснований, будь то АТ или GC, примерно одинаковы, причем форма одной спирали задает форму другой, а порядок оснований в одной спирали зависит от порядка оснований в другой. При делении клетки двойная спираль расплетается, и каждая половина содержит достаточную информацию, чтобы послужить шаблоном для новой спирали. В результате из одной молекулы ДНК получаются две, то есть гены самовоспроизводятся, передавая наследственные признаки из поколения в поколение.

Рис. 2.2. Белки

Структура ДНК подсказала, как гены должны копироваться и передаваться, но не продемонстрировала их участия в синтезе белков. Дело в том, что каждая молекула ДНК – это длинная цепочка «первоэлементов», в состав которых входят четыре типа азотистых оснований. Но белки – это совершенно иные цепочки, состоящие из аминокислот, и химические связи в них тоже абсолютно другие. Исключительное разнообразие белков обусловлено тем, что двадцать аминокислот, входящих в их состав, сильно отличаются друг от друга по химическом свойствам. Их длина и порядок в каждой белковой цепочке уникальны, и, что удивительно, белок содержит информацию, необходимую для правильного свертывания цепочки, чтобы та приобретала нужную форму и правильно функционировала. Крик догадался, что порядок оснований в ДНК кодирует порядок аминокислот в белке, но оставался вопрос: каким образом?

Рис. 2.3. Транскрипция: копирование гена из ДНК на матричную РНК

Ученые бились над этой проблемой более десяти лет. Оказалось, что участок ДНК, содержащий ген, копируется на схожую молекулу, именуемую матричной РНК (мРНК), которая доставляет генетическое «сообщение» туда, где оно требуется. РНК (рибонуклеиновая кислота) отличается от ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) тем, что имеет дополнительную гидроксильную группу в сахарном «кольце»⁶. В РНК тоже четыре азотистых основания, но вместо Т находится очень похожее основание урацил (U), которое образует пару с А.

Как сделать двадцать типов аминокислот, имея четыре типа оснований? Все равно что прочесть длинную последовательность инструкций, записанных незнакомыми буквами. Оказалось, что основания считываются группами (кодонами) по три за раз. Способ их считывания, предсказанный Криком, связан с еще одной молекулой РНК, именуемой транспортной РНК (тРНК). С одного конца к ней прикрепляется нужная аминокислота, а с другого – группа из трех оснований (антикодон). Антикодон и кодон образуют пары оснований, такие же, как возникающие между двумя спиралями ДНК. Следующий кодон распознается другой тРНК, которая подносит его вместе с соответствующей аминокислотой, и т. д.

Следующее крупное открытие заключалось в том, что все это происходит не само собой. Клеточные биологи открыли органеллы, где считываются мРНК и синтезируются белки. В каждой клетке (и у бактерии, и у человека) есть тысячи таких крошечных частиц. Но по молекулярным меркам они огромны. В каждой из них находится примерно пятьдесят белков и три больших участка собственной РНК (это уже РНК третьего типа, существующая наряду с мРНК и тРНК). Сначала ученые называли эти органеллы рибонуклепротеиновыми частицами микросомального порядка, поскольку они состоят одновременно из РНК и белков и при этом отграничены от клеточных органелл, именуемых микросомами. Но такое название получалось слишком пространным, поэтому на одной конференции в конце пятидесятых Говард Динцис назвал их рибосомами – с тех пор это название и закрепилось. Именно Динцис первым определил, в каком направлении происходит синтез белковой цепочки. Диву даюсь, но, проработав тридцать лет в сфере биологии, я ничего не слышал о Динцисе и его работах. Когда в 2009 году мы с ним в конце концов повстречались в Университете Джона Хопкинса, куда меня пригласили прочитать названную в его честь лекцию, Динцис все еще по праву гордился, что сам придумал это слово.

Рис. 2.4. Транспортная РНК: молекулы-адаптеры, подносящие аминокислоты и считывающие код матричной РНК

Целая рибосома состоит из половины миллиона атомов. Связывая наши гены и кодируемые ими белки, она находится на перекрестке жизни. Хотя все знали это, никто не представлял, как выглядит рибосома, кроме того, что она глобулярная и состоит из двух частей. Но, не зная, как выглядит рибосома, разве мы могли понять, как она связывается с мРНК и сшивает белок из аминокислот, поднесенных тРНК.

Рис. 2.5. Состав рибосомы

Представьте, что вы – марсианин, смотрите на Землю издалека. Видите на поверхности крошечные объекты, движущиеся преимущественно по прямым линиям и иногда поворачивающие в перпендикулярном направлении. Приблизившись, вы замечаете, что эти объекты движутся, только когда в них попадают более мелкие тельца, и останавливаются, когда эти тельца их покидают. Обратившись к приборам, вы обнаруживаете, что эти объекты поглощают углеводороды и кислород, а в окружающую среду выбрасывают углекислый газ, водяной пар и избыток тепла, а также некоторое количество загрязнителей. Но чтобы выяснить, каким образом происходят эти процессы, вам необходима более серьезная детализация.

Когда мы узнали детали строения ДНК, это произвело революцию в представлениях о том, как именно в ней хранится, передается и воспроизводится генетическая информация. Но рибосома, в отличие от ДНК, колоссальная и сложная, поэтому казалась непостижимой.

Многие великие ученые, в частности Крик, сыгравшие ключевые роли в выяснении того, как кодируется информация в ДНК, попросту не решились подступиться к рибосоме и занялись другими исследованиями. Сидни Бреннер, не менее именитый коллега Крика и один из первооткрывателей мРНК, еще в шестидесятых сказал, что разгадка структуры рибосомы – тривиальная проблема, над которой не нужно работать в Кембридже, поскольку ее решат американцы. Мне это напоминает фразу сенатора Джорджа Эйкена, выразившегося о неподъемной вьетнамской войне так: «США должны объявить о победе и отправить войска домой». Одним из первых ученых, неотступно занимавшихся рибосомами, были молекулярный биолог Джеймс Уотсон и биохимик из Женевы Альфред Тиссьер. Почти сорок лет спустя в лаборатории Колд-Спринг-Харбор в 2001 году Уотсон вспоминал те давно минувшие дни, когда, по его словам, он осознал, сколь сложна рибосома, и смирился, что никогда не узнает ее структуру.

Рис. 2.6. Альфред Тиссьер и Джеймс Уотсон, одни из первых исследователей рибосом (фото предоставлено лабораторией Колд-Спринг-Харбор)

Я был еще очень далек от размышлений о рибосомах, когда обосновался в лаборатории Маурисио Монталя, но, проработав там всего несколько месяцев, наткнулся на статью о рибосомах в журнале Scientific American, которая изменила мою жизнь. В ней было описано, как найти в рибосоме множество разных белков методом рассеяния нейтронов – такая практика широко известна в физике, но едва ли используется в биологии. Авторами этой статьи были Дон Энглман и Питер Мур. Я вспомнил, что Дон один из тех, кто был готов дать мне работу, когда я пытался перейти из физики в биологию, и написал ему, что подготовился к работе постдока. Мне казалось, что я уже достаточно изучил биологию, чтобы приступить к исследованиям в этой дисциплине, и получать кандидатскую степень по биологии мне незачем.

Основные научные интересы Дона, как и у Маурисио, были связаны с мембранами и мембранными белками, и я сказал, что хотел бы работать у него в лаборатории. Он мне ответил, что у него вакансий нет, зато они есть у Питера Мура, и если бы я отправился туда работать над рибосомами, то в свободное время мог бы позаниматься исследованием мембран. В ту пору я уже понимал фундаментальную важность рибосом, поэтому ответил, что меня предложение устраивает. Оказалось, что свободного времени у меня не будет.

Вскоре Питер написал мне, что собирается в Сан-Диего на конференцию и будет рад увидеться со мной. Он предстал передо мной в своем фирменном консервативном наряде: коричневый вельветовый пиджак, очки в толстой оправе. А его манеры завершали образ классического университетского интеллектуала из Лиги Плюща. Уже в ранней юности он стал быстро продвигаться в науке, и я подозревал, что он не представляет, как живут другие люди. Его отец был одним из родоначальников трансплантологии, работал в Гарварде, а сам Питер учился в частной школе, потом в Йеле, а затем отправился в аспирантуру в Гарвард, где вместе с Уотсоном исследовал рибосомы. После этого он продолжил работу в Женеве вместе с Тиссьером, который к тому времени стал ведущим ученым в исследовании рибосом. Там он приступил к постепенной очистке различных белков в составе рибосомы.

Рис. 2.7. Так Питер Мур выглядел около 1980 г., когда автор работал в его лаборатории в Йеле

Питер Мур осознал, что ключ к пониманию рибосомы спрятан в ее структуре и нужно освоить структурный анализ. Он покинул Женеву и прибыл в Лабораторию молекулярной биологии Совета медицинских исследований (MRC) Кембриджа. Там в свое время Уотсон и Крик работали над ДНК, и лаборатория стала Меккой для тех, кто занимался изучением структур всевозможных биомолекул. Британцы называли ее MRC–LMB или просто LMB – под таким наименованием она известна сегодня.

Затем Питер вернулся в альма-матер, Йельский университет, и стал там преподавателем. Всесторонне эрудированный и остроумный, он терял свою привычную сдержанность, когда речь заходила о науке. Его лекции были выразительны, изобиловали шутками, и целые поколения йельских студентов и преподавателей испытали на себе его ярость, когда пытались предъявить ему небрежные доводы.

На конференции в Сан-Диего, где мы впервые встретились, он стоял особняком и дожидался меня. После краткого приветствия мы обсудили мой научный багаж и его проект. Я не был уверен, что это неформальное собеседование прошло успешно, но вскоре он пригласил меня в Йель. Там, несмотря на мою очевидную неподкованность, Питер официально предложил мне работу. Остаток академического года я провел в лаборатории Маурисио, завершая начатое исследование. В конце лета отправился в Нью-Хейвен, по дороге подобрав в Огайо семью, с которой не виделся несколько недель.

Осенью 1978 года я прибыл в лабораторию Питера, испытывая некоторый трепет. Несмотря на два года аспирантуры по биологии, я обладал весьма ограниченным опытом. Через пару дней после моего приезда мы с Питером шли навстречу друг другу по длинной галерее в Химической лаборатории имени Стерлинга, выстроенной в неоготическом стиле. Как только мы приблизились, он вдруг отвел глаза. Я переживал, что он уже успел пожалеть о том, что принял меня. Потом Бетти Ренни, рассмеявшись, объяснила мне, что это просто его манера. Питер оставался крайне приветлив со мной, и год спустя он, должно быть, чувствовал, что я был достаточно компетентным, чтобы остаться без его руководства на целый год – пока он будет находиться в творческом отпуске в Оксфорде. За время его отсутствия я отпустил бороду, которую носил почти двадцать пять лет.

К тому моменту, как я стал работать у Питера, уже были установлены некоторые базовые факты о рибосомах. Каждая рибосома состоит из двух частей: большой и малой субъединиц. Малая субъединица связывается с мРНК, содержащей генетическую информацию, а большая сшивает аминокислоты, подносимые тРНК, и делает из них белок. В рибосоме есть пазы для трех тРНК, одна из которых подносит новую аминокислоту, другая – удерживает растущую белковую цепочку, а третья – выступает в качестве своеобразной перевалочной базы, куда белки попадают перед выходом из рибосомы. И тРНК движутся по рибосоме от одного паза к следующему. В сущности, они протаскивают мРНК вслед за собой, и сама рибосома фактически движется вдоль мРНК, помогая тРНК считывать кодон за кодоном при синтезе белка. Прохождение каждого этапа требует энергии, поэтому рибосому часто называют молекулярной машиной, или наномашиной.

Рибосомы были интересны не только из-за фундаментальной роли очага жизни, но и с практической точки зрения. За годы работы многие ученые замечали, что действие антибиотиков заключается в блокировании функций рибосомы на разных этапах. Человеческие рибосомы существенно отличаются от бактериальных, причем некоторые из этих антибиотиков связываются преимущественно с бактериальными рибосомами и поэтому лечат инфекционные заболевания. Однако бактерии стремительно развивают резистентность к лекарствам, поэтому, точно зная, как именно антибиотик связывается с рибосомой, можно проектировать и создавать более качественные препараты.

Эти основополагающие факты уже присутствовали в учебниках, поэтому, когда я рассказывал кому-нибудь, что исследую рибосомы, меня часто спрашивали: «А что, разве о них еще не все известно?» Иногда меня при этом удостаивали снисходительным взглядом, как какого-то беднягу, который дорисовывает последние штрихи к проблеме, которая никого уже не интересует. Но пусть мы и представляли в общих чертах, как работает рибосома, мы еще не знали, как в ней реализуется хотя бы один из сложных процессов на пути к синтезу белка.

Как и во многих иных областях, в науке есть модные темы. Зачастую это сравнительно новые области, где исследователи быстро приходят к открытиям. Самые креативные открывают новые дисциплины, но другие просто переключаются с одной модной области на другую. Если бы так поступали все, то представление о феноменах было бы весьма поверхностным. Но, к счастью, бывают и другие ученые, которые не отступаются от проблемы, независимо от того, насколько она стара и сложна, чтобы докопаться до ее сути.

Хотя изучение рибосомы и продолжалось уже пару десятилетий, никто даже не представлял, где в ней располагаются эти пять десятков белков, не говоря уже о том, как они работают. Питер корпел над этой проблемой вместе с Доном Энглманом. Можно сказать, что не бывает двух настолько разных людей. Дон, в отличие от сдержанного Питера, был высокий общительный калифорниец с аккуратно подстриженной бородой и громовым баритоном, благодаря чему выглядел авторитетно в любых ситуациях. Он окончил Рид-Колледж в Портленде, затем защитил кандидатскую в Йеле и отправился в постдокторантуру к Морису Уилкинсу – третьему ученому, причастному к открытию ДНК. У Уилкинса он исследовал структуру мембран клеточной оболочки. В отличие от Питера, всю жизнь занимавшегося изучением тех или иных аспектов рибосомы, Дон имел более разнообразные интересы.

Они прослушали в Брукхейвенской национальной лаборатории лекцию Бенно Шенборна о том, как можно использовать нейтроны для изучения биологических структур. Понадобился бы ядерный реактор, чтобы получить достаточное количество нейтронов для эксперимента, однако в них заложено интересное биологическое свойство: обычный водород и его тяжелый изотоп дейтерий взаимодействуют с нейтронами очень по-разному, а на водород приходится более половины атомов, из которых состоят все биомолекулы, в частности белки и РНК.

Эта лекция натолкнула Дона и Питера на мысль, что можно попытаться выяснить расположение рибосомных белков. Они поняли, что если бы удалось каким-то образом синтезировать рибосому, в которой всего в двух белках вместо водорода содержался бы дейтерий, то от этих белков нейтроны рассеивались бы совсем иначе.

Можно получить дейтерированные белки, выращивая бактерии в тяжелой воде – оксиде дейтерия. Затем пересобрать рибосому, в которой было бы два дейтерированных белка на ваш выбор. (Масаясу Номура из Висконсина биохимическими способами выделил белки из малой рибосом-ной субъединицы, а потом очистил из смеси каждый из двадцати белков методом хроматографии.) Затем можно смешать все компоненты в растворе и, при соблюдении нужных условий, пересобрать из очищенных белков и РНК рабочую малую субъединицу, в которой два белка заменены на дейтерированные аналоги. Затем субъединицы можно поместить в ядерный реактор Брукхейвенской национальной лаборатории в Лонг-Айленде и подставить под пучок нейтронов, чтобы узнать расстояния между разными парами белков и определить, как они упорядочены и какова их трехмерная структура. Примерно так первопроходцы в старину картировали неизвестную территорию методом триангуляции. Такой эксперимент состоял из повторения однотипных измерений.

Я поступил в лабораторию, когда таким способом были идентифицированы лишь несколько первых белков, и принял эстафетную палочку от моего предшественника, постдока Дэна Шиндлера. С удивлением я узнал, что нейтронные пучки от ядерного реактора на порядки слабее рентгеновских лучей, поэтому могло уйти несколько дней на то, чтобы измерить слабый сигнал от дейтерированных белков, тонувший в фоновом рассеивании от всей остальной рибосомы. Летом такую работу было делать сподручнее; пока шел сбор данных, я иногда мог отправиться на пляж Файр-Айленда в нескольких километрах на юг. В другие периоды заточение в Брукхейвене отнюдь не казалось захватывающим, поскольку лаборатория находилась на территории старой военной части в глуши за Япханком. Ученые, работавшие там, жили в городках за многие километры от лаборатории, и эти территории представляли собой череду пасторальных деревушек и разросшихся пригородов. В отличие от университетского города с яркой культурной жизнью и ночными развлечениями, лаборатория пустовала вечерами и выходными. Эта ситуация напомнила мне знаменитую карикатуру на Лонг-Айлендскую автомагистраль; картинка гласила: «Съезд 66 – на Япханк. Если вы уже бывали в Япханке, пожалуйста, игнорируйте этот съезд».

Примерно через три года удалось идентифицировать около половины белков малой субъединицы, и мы написали пару статей об их расположении. Я задумывался, сколько времени мне понадобится на проработку остальных, но, когда срок моей стипендии подходил к концу, Дон обратился ко мне и сказал, что сейчас в моих интересах переходить к следующему этапу карьеры и что образование, нужное на этапе постдокторантуры, я уже получил. В конце концов этот проект завершил сменивший меня Малкольм Кейпел. В итоговой статье, описывавшей положение всех белков, они были изображены в виде бильярдных шаров, наложенных на контур малой субъединицы, и я любил пошутить, что примерно треть из этих шариков – мои.

Вняв совету Дона, я отправил резюме почти на пятьдесят преподавательских вакансий, но тогда было не лучшее время искать работу. В стране только что началась рейгановская эпоха, и научные исследования финансировались скупо, а биотехнологии только начали появляться.

Я пытался устроиться во всевозможные учреждения, от двухгодичных колледжей до университетов. В сравнительно небольших училищах обращали внимание на мое длинное индийское имя и, возможно, сомневались, достаточно ли хорошо я владею английским, чтобы преподавать. В университетах смотрели, какая у меня карьера – бакалавриат и докторат по физике, обе степени получены не в самых престижных вузах, два года изучал биологию, не защитился, затем, применяя научный метод, о котором никто не слышал, работал над старой и уже не модной проблемой. Неудивительно, что ни на одно собеседование меня не пригласили.

К счастью, в Национальной лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, как раз вводили в работу корпус для исследования рассеивания нейтронов и искали специалиста, который мог бы сотрудничать с биологами. Так что Дон позвонил руководителю лаборатории Уолли Келеру и порекомендовал меня. Воспрянув духом и обрадовавшись, что у меня появилась первая настоящая работа, мы с Верой купили домик прямо рядом с лабораторией. В феврале 1982 года мы уложили все наши пожитки в маленький «Форд Фиеста» и поехали из Нью-Хейвена в Теннесси через Пенсильванию, несмотря на буран.

Отправляясь туда, я рассчитывал, что смогу продолжать собственные исследования. Но в итоге никто не предоставил мне обещанной персональной лаборатории. Уолли Келер сказал, что здесь я должен совместно с биологами работать над рассеиванием нейтронов, а не вести собственные исследования. Он был хорошо известным физиком, и я уважал его как человека, но мне казалось, он не понимает, насколько незначительную роль нейтроны играют в биологии. Поэтому, почти сразу после прибытия в Оук-Ридж, я стал размышлять, куда бы уехать. К счастью, мне на выручку пришел Бенно Шенборн, вдохновивший Питера и Дона применить нейроны к рибосомам. Он предложил мне независимую должность в Брукхейвене, которую я с радостью принял. Так всего через год и три месяца после переезда в Оук-Ридж мы с серьезными убытками продали наш дом и летом 1983 года вернулись на восточное побережье – в Лонг-Айленд.

Вера с тяжелым сердцем бросала свой милый садик и идиллическую жизнь в Оук-Ридж и загрустила, когда мы миновали мост Джорджа Вашингтона и увидели поток машин, едущих по автомагистрали. В конце концов нам удалось найти дом в Ист-Патчог, прямо рядом с деревушкой Беллпорт на южном берегу Лонг-Айленда. До лаборатории оттуда приходилось ехать двадцать километров в одну сторону, и бураны там каждую зиму.

В Брукхейвене я получил хорошо оснащенную лабораторию, лаборанта и свободу заниматься собственными исследованиями. Коллеги относились ко мне очень дружелюбно и были рады помочь, но сразу дали понять, что я не могу рассчитывать на постоянный контракт, если собираюсь всего лишь продолжать ту работу, которой занялся в постдокторантуре. К счастью, в результате сотрудничества с коллегами в мою недолгую бытность в Оук-Ридж я заинтересовался хроматином. Это комплекс ДНК и гистонных белков, из которого образованы хромосомы. Я взялся исследовать устройство хроматина и долгое время был известен именно этой работой, а не изучением рибосом, которыми тоже продолжал заниматься.

Применяя изученные методы, в частности рассеивание нейтронов, ни я, ни кто-либо другой не мог серьезно продвинуться в понимании, как на самом деле работает рибосома. Казалось, что отдельные компоненты рибосомы сами по себе почти ничего не делают и выглядят как куча поршней и шин, из которых невозможно собрать машину. Тема рибосом стала еще менее модной чем раньше, а рассеивание нейтронов оказалось совершенно тупиковым методом при изучении как рибосом, так и хроматина. Через десять лет после того как я переметнулся из физики в биологию, мне показалось, что моя вторая карьера проваливается, как и первая.

Глава 3
Увидеть невидимое

Говорят: «Увидишь – поверишь». Веками у нас сохранялось множество заблуждений о собственном теле, поскольку знания по анатомии черпались из трудов древнеримского врача Галена, который разделывал животных => основывался на диссекции животных. Лишь в XVI веке Андреас Везалий начал препарировать человеческие тела.

Но при попытках рассмотреть рибосому ни один из применяемых нами методов не позволял визуализировать ее детали. Прежде чем вернуться к нашей истории, стоит сделать отступление и рассказать о том, как ученые потратили полвека на разработку метода, который впоследствии сыграл ключевую роль для разгадки тайн рибосомы.

В середине XVII века голландский торговец полотном Антони ван Левенгук захотел лучше рассмотреть волокна ткани. Желая изготовить более качественные линзы, он сконструировал самый мощный микроскоп своего времени и был поражен, увидев крошечных существ, которых назвал animacules (дословно «зверушки»), то есть микробов. Вскоре Роберт Гук также воспользовался микроскопом, рассматривая под большим увеличением буквально все, что попадалось под руку, и предложил термин клетка, которым назвал крошечные ячейки, образующие ткани растений. Идея клетки полностью преобразила биологию. Теперь мы понимаем, что клетка – мельчайшая сущность, способная к самостоятельной жизнедеятельности; вместе клетки могут образовывать ткани и целые организмы. По мере развития микроскопов люди смогли увидеть, что внутри клетки также есть структуры, в частности ядро с хромосомами и разнообразные органеллы. Так возник новый раздел биологии – цитология. Но из чего состоят все эти внутриклеточные органеллы?

Как часть материи клетки и их компоненты состоят из молекул, а молекулы – это группы атомов, объединенных строго определенным образом. Атомная теория вещества настолько важна и разрабатывалась так долго, что Ричард Фейнман сказал о ней: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям людей перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): “все тела состоят из атомов – маленьких частиц, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому”»⁷.

Поразительно, что ученые XVIII и XIX веков, не видевшие молекулы, не только логически догадались об их существовании, но даже распознали их структуру. Они описали не только простые молекулы поваренной соли (где всего два атома), но и более сложные, например сахара, где атомов порядка двадцати.

Мы не можем видеть молекулы из-за свойств света. Он состоит из фотонов, которые (как известно из квантовой физики) могут одновременно вести себя и как частица, и как волна. Именно волновая природа света лежит в основе работы линз и микроскопов. Но это же свойство означает, что, когда свет проникает через очень узкое отверстие или огибает его, он рассредоточивается – этот процесс именуется дифракцией. Как правило, этот эффект незаметен, но если сильно сблизить два очень маленьких объекта, то их изображения наложатся друг на друга, и человек, глядя на них через микроскоп, увидит один размытый объект, а не два. В XIX веке немецкий физик Эрнст Аббе вычислил, что два объекта можно увидеть по отдельности, если расстояние между ними составит не менее половины длины волны того света, в котором мы их рассматриваем. Для видимого света эта длина – около 500 нм. Если два объекта находятся на расстоянии ближе 250 нм друг от друга, нам хватает разрешающей способности, чтобы увидеть их в отдельности при видимом свете. Этот лимит называется пределом разрешения.

К началу XX века мы научились определять, сколько молекул должно быть в заданном объеме вещества, поэтому стало известно и примерное расстояние между атомами в молекуле. Оказалось, что оно в тысячи раз меньше длины световой волны, и невозможно рассмотреть их даже в самые лучшие оптические микроскопы. Считалось, что молекулы навсегда останутся невидимыми.

Альтернативой видимому свету оказалось интересное новое излучение, открытое в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал электрические разряды в вакуумных трубках, содержащих два электрода, между которыми в вакууме возникает высокое напряжение. При подаче тока на электроды тот из них, который был заряжен отрицательно (катод), нагревался и излучал электроны. Они летели сквозь вакуум и попадали на второй электрод (анод). Рентген открыл, что при этом из трубок выходили необычные лучи, под действием которых соединения бария светятся даже в полной темноте. Он назвал их икс-лучами и принялся исследовать их свойства. Оказалось, что они обладают огромной проникающей способностью, позволяющей заглянуть внутрь непрозрачных объектов, например увидеть кости человеческой руки.

Никто, в сущности, не знал, что же представляют собой рентгеновские лучи, не было даже ясно, частицы это или волны (сегодня известно, что они состоят из таких же фотонов, что и видимый свет, то есть имеют корпускулярно-волновую природу). В 1912 году Макс фон Лауэ и двое его сотрудников решили проверить, что произойдет, если подставить под рентгеновские лучи кристалл сульфида цинка, состоящий из атомов всего двух элементов: серы и цинка.

Оказалось, что рентгеновские лучи не рассеиваются произвольно во всех направлениях, а образуют на снимках пятна.

Фон Лауэ быстро догадался, что происходит: кристалл, с которым они работали, имел правильную трехмерную структуру, состоящую из молекул, – пирамидку из идеальных шариков. При попадании рентгеновских лучей на кристалл каждый атом должен был равномерно рассеивать волны во всех направлениях. То же самое происходит, когда мы бросаем камешек в воду. Результирующая волна, раскатывающаяся в любом направлении, должна была быть суммой волн, рассеянных каждым атомом, по которому попали рентгеновские лучи.

Рис. 3.1. Рентгеновские лучи попадают на кристалл, в результате получаются дифракционные пятна

Суммарная сила волны, возникшей из двух волн, зависит от способа их соединения в условиях расположения относительно друг друга. Если пики и впадины у них совпадают, то говорят, что они объединились по фазе, и тогда общая волна будет вдвое сильнее ее слагаемых. Если гребни одной волны накладываются на подошвы другой, то эти волны в противофазе и полностью гасят друг друга. Прочие комбинации дают некий промежуточный результат.

Фон Лауэ понял, что в зависимости от положения атома рассеивающиеся от него волны проходят разное расстояние. Они запаздывают или обгоняют друг друга, поэтому оказываются в разных фазах и более или менее сильно друг друга гасят. Но в определенных направлениях расстояние между волнами сопоставимо с их длинами, а минимумы и максимумы волн совпадают, и они остаются в фазе, усиливая друг друга, – тогда появляются пятна на снимках.

Рис. 3.2. Сложение волн зависит от их взаимоотношения

Этот эксперимент показал, что рентгеновские лучи определенно можно считать волнами. Тогда же были получены первые прямые доказательства того, что кристалл – это структура из правильно упорядоченных атомов. На основе предположений о расстоянии между атомами удалось приблизительно вычислить длину волн рентгеновских лучей – они более чем в тысячу раз короче волн видимого света. Два года спустя, в 1914 году, фон Лауэ был удостоен Нобелевской премии по физике.

Он также пытался в точности определить, как именно расположены в кристалле атомы серы и цинка. Но в данном случае его анализ оказался ошибочным. Лоуренс Брэгг, молодой аспирант из Кембриджа, заинтересовался результатами фон Лауэ и, покорпев над ними, нашел элегантный способ трактовки данной проблемы, который помог логически вывести верную структуру кристалла. Брэгг догадался, что атомы в кристалле могут образовывать разнонаправленные совокупности плоскостей, расстояния между которыми могут различаться. То есть рентгеновские лучи, рассеивающиеся от атомов, отражаются от плоскости. Для любого множества плоскостей дополнительное расстояние, проходимое отраженными от смежных плоскостей рентгеновскими лучами, будет под определенным углом равно целой длине волны. Если волны распространятся от каждой группы плоскостей под таким углом, то останутся в фазе и будут усиливать друг друга, образуя дифракционное пятно.

Отношение, описывающее расстояние между плоскостями и угол между ними, было названо законом Брэгга. В любой точке может находиться несколько плоскостей, удовлетворяющих условию Брэгга, и каждая из них может давать дифракционное пятно, будучи расположенной под нужным углом к входящему рентгеновскому лучу. Также, когда вы поворачиваете кристалл, все новые плоскости будут удовлетворять условию Брэгга и давать новые дифракционные пятна. Полностью повернув кристалл вокруг луча, можно измерить все возможные дифракционные пятна от этого кристалла. Применив свой анализ, Брэгг смог верно вывести расположение атомов в кристалле фон Лауэ. Он написал сообщение о своем анализе в Кембриджское философское общество в ноябре 1912 года, но поскольку был всего лишь аспирантом, его профессор Дж. Дж. Томсон, открывший электрон, должен был официально передать статью, которую написал Брэгг, в журнал общества.

Можно считать, что атомы в кристалле образуют разнонаправленные плоскости, и расстояния между этими плоскостями различаются

Рис. 3.3. Плоскости кристалла; как они отражают рентгеновские лучи под разными углами

Затем Брэгг воспользовался своей теорией, проанализировав одну из простейших в природе молекулу поваренной соли. К тому времени химики уже определили, что она состоит из тесно связанных двух атомов (натрия и хлора). Когда Брэгг изучил дифракционные пятна на рентгеновской пленке после облучения трехмерных кристаллов соли, оказалось, что вместо молекул они содержат ионы натрия и хлора, расположенные в шахматном порядке. При этом в каждом ионе натрия не хватает одного электрона, а в ионе хлора есть лишний электрон, и эти ионы имеют противоположные заряды. Это означало, что они удерживаются в кристалле под действием электрических сил.

В те времена многие химики не принимали заявления молодого аспиранта-физика о том, что даже такое простое вещество, как поваренная соль, устроено совершенно иначе, нежели они полагали. Один из них, Генри Армстронг, профессор химии из Имперского колледжа в Лондоне, злобно поддел Брэгга в письме, адресованном журналу Nature и озаглавленном «Бедная поваренная соль»⁸. Он написал, что предложенная Брэггом структура хлорида натрия «более чем вопиюща с точки зрения здравого смысла», и присовокупил обвинение, пожалуй, убийственное для англичанина: «Это абсурд в n-ной степени, а не химический крикет»⁹. Однако правота Брэгга не просто подтвердилась; он также определил своим методом и строение многих других простых молекул. Впервые молекулы удалось «увидеть». Способ определения трехмерной структуры атомов в молекуле с помощью кристаллизации и анализа дифракционных пятен получил название рентгеновской кристаллографии.

Отец Брэгга-младшего, Уильям Брэгг (их обоих звали Уильям, поэтому сын пользовался вторым именем – Лоуренс), был профессором физики и разработал ряд приборов, позволявших с большой точностью измерять рентгеновские дифракционные пятна. После того как Брэгг-младший разработал свою теорию, они с отцом поставили несколько экспериментов. Пока Лоуренс оставался в Кембридже, его отец путешествовал, выступая с лекциями о той работе, которую выполнили «он со своим мальчиком». Какое-то время Брэгг-младший волновался, что, поскольку он просто аспирант, знаменитый отец присвоит себе всю славу за его работы, между ними явно существовала некоторая напряженность. Оказалось, что Нобелевский комитет был об этом хорошо осведомлен. В 1915 году оба Брэгга были удостоены премии по физике. Лоуренс, которому тогда было двадцать пять, остается самым молодым нобелевским лауреатом. Он не смог отправиться в Стокгольм, так как Первая мировая война была в разгаре и его брат Роберт был убит в бою всего за несколько недель до того, как пришло известие о премии. Поэтому Брэгг прочитал свою нобелевскую лекцию только в 1922 году.

В простых молекулах всего несколько атомов, поэтому можно было выдвигать различные гипотезы об их структуре и проверять, совпадают ли дифракционные пятна с результатами экспериментов. Но подобное угадывание осложнялось при изучении более крупных молекул. Требовался иной подход.

Чтобы понять, как вычисляется карта молекулы, представьте, как получается увеличенное изображение, которое мы видим через линзу. Лучи света рассеиваются от всех граней объекта. Линза собирает рассеянные волны, отраженные от каждой точки объекта, и строит точки изображения. В данном случае важно, что рассеянные лучи существуют независимо от присутствия линзы; линза просто фокусирует их и дает изображение. Мы уже говорили о том, что длина световой волны почти в тысячу раз больше, чем требуется для рассмотрения атомов в молекуле. С другой стороны, длина волны у рентгеновских лучей как раз та, что надо. Нельзя ли рассматривать вещество через обычную линзу в рентгеновских лучах и видеть молекулы напрямую, а не возиться с кристаллами и пятнами?

Рис. 3.4. Сравнение двух способов получения карты: при помощи линзы и рентгеновской кристаллографии

Однако достаточно хорошей линзы, которая позволяла бы делать изображения молекул в рентгеновском диапазоне, не существует. Но даже если бы она была, есть другая проблема: чтобы рассмотреть отдельно взятую молекулу в хорошей детализации, пришлось бы обдать ее такой дозой рентгеновского излучения, которое ее разрушит. В кристалле дифракционные пятна возникают в результате наложения рассеянных рентгеновских лучей, отраженных от миллионов молекул, сигнал от которых усиливается, позволяя обойтись гораздо меньшей дозой рентгеновского излучения, – тем кристаллы и хороши.

Ученые придумали хитрые математические способы моделирования линзы и собрали в одно изображение волны, отраженные от разных частей объекта. (Для подкованных в математике поясню: это делается при помощи преобразования Фурье, применяемого к рассеянным лучам.) Но выяснилось, что не так просто взять с рентгеновского снимка измеренные пятна и скомбинировать их на компьютере в цельную карту. Линза фиксирует попадание каждой конкретной части волны. Когда мы вычисляем интенсивность дифракционного пятна, полученного при облучении кристалла, мы фактически измеряем амплитуду электромагнитной волны, то есть высоту ее гребня относительно средней позиции. Такое измерение ничего не сообщает нам о ее фазе и не позволяет сравнить волны, соответствующие всем пятнам, в то время как изображение гораздо более зависит от фазы, нежели от амплитуды отраженной волны.

Кристаллограф Артур Линдо Паттерсон придумал, как, не зная фаз, по измеренным значениям интенсивности пятен вычислить функцию, показывающую самые заметные (тяжелые) атомы в структуре, которые из-за большого количества электронов сильнее рассеивают лучи. Затем вычислить фазы, которые волны получили при отражении от этих атомов, и сопоставить их с известными амплитудами. Некоторые атомы проявятся как менее четкие «призрачные» детали в изображении всей структуры. Добавив эти атомы в исходную структуру и сделав повторные вычисления, вы увидите на следующей итерации еще больше «призрачных» атомов. Таким образом можно шаг за шагом полностью воссоздать структуру молекулы.

У вас получится трехмерная карта молекулы, или карта электронной плотности, в которой рентгеновские лучи рассеиваются преимущественно от электронов в атомах. Такая карта демонстрирует, насколько высока плотность электронов в любой заданной точке.

Поскольку большинство электронов складывается в плотную оболочку вокруг ядра, мы можем определить местонахождение атомов. Карты плотности визуализируются в виде контурных карт сечений, напоминающих топографические карты, на которых отмечены горные пики: контур тем выше, чем больше плотность электронов.

Ученые стали пользоваться методом Паттерсона, чтобы определять структуры все более сложных молекул. Одной из тех, кому удалось выжать из этого метода максимум, была Дороти Ходжкин, в девичестве Кроуфут. Она была одной из первых женщин, получивших красный диплом Соммервилл-Колледжа Оксфордского университета, а затем приступила к работе над кандидатской диссертацией под руководством Джона Десмонда Бернала в Кембридже.

Бернал был настоящим энциклопедистом, но отличался непостоянством. Нередко он предлагал новаторские решения важных задач, но далеко не всегда дожидался, пока они будут проработаны до конца. Возможно, его просто слишком сильно отвлекали. В годы Второй мировой войны он консультировал британские власти при выборе места высадки в Нормандии. Он был ярым коммунистом и продолжал поддерживать советское правительство даже после того, как стало известно о сталинских репрессиях. Не менее пылко он относился и к женщинам, часто совмещая сразу несколько амурных историй. Многие из влюбленных в него – в том числе и Ходжкин – чувствовали, что Бернал искренне за ними ухаживает, помогает им в выстраивании карьеры, сохраняя с прежними пассиями самые хорошие отношения. Когда Бернал неизлечимо заболел, несколько этих женщин по очереди присматривали за ним.

Вероятно, по этим причинам некоторые из его учеников внесли гораздо более значительный вклад в науку и стали более знамениты, чем он. Ходжкин была одной из самых блистательных учениц. Защитив диссертацию, она вернулась в Оксфорд, но в академических кругах тогда совсем не жаловали женщин, поэтому она не смогла получить в этом университете достойный академический пост. К счастью, в ее альма-матер, Соммервилл-Колледже, ей выделили стипендию, к которой она добавила ряд временных исследовательских грантов. Она получила рабочий кабинет на чердаке над университетским Музеем естественной истории. Чтобы ставить там опыты, ей часто приходилось на свой страх и риск заносить наверх свои драгоценные кристаллы – в одной руке она сжимала их, а сама тем временем карабкалась по лестнице. Сохраняя бодрость духа при такой сложности и неопределенности в работе, она исключительно разумно подбирала себе материал для исследований, изучая самые важные молекулы – в частности пенициллин и витамин B₁₂. В молекуле последнего насчитывалось несколько сотен атомов, и попытка определить ее структуру считалась задачей для настоящего виртуоза. Как-то раз Бернал сказал Ходжкин, что ей суждена Нобелевская премия. Она спросила, могут ли ее однажды принять в члены Королевского научного общества, и он якобы ответил: «А вот это будет гораздо сложнее!» На момент описываемых событий Королевское научное общество существовало уже более трехсот лет, и за весь этот срок в него не приняли ни одной женщины. Работа Ходжкин была слишком важна, чтобы ее игнорировать. Ее приняли в члены общества в 1947 году, всего через два года после того, как в состав организации попали первые дамы: кристаллограф Кэтлин Лонсдейл и биохимик Марджори Стивенсон. В 1964 году Ходжкин отправилась за Нобелевской премией, присужденной ей за ее исследования, и в одной из газет вышла статья: «Нобелевская премия для оксфордской жены», начинавшаяся словами: «Домохозяйка и мать троих детей вчера получила Нобелевскую премию по химии». Очевидно, некоторым журналистам ее традиционно женские достижения казалась самыми важными сведениями о ней.

Рентгеновская кристаллография имела шумный успех, но поначалу оставалось неясно, годится ли вообще этот метод для изучения белковых (и других подобных) молекул. В середине 1930-х, когда Бернал и Ходжкин только начинали исследовать кристаллы белка в рентгеновских лучах, они практически не увидели пятен. Бернал понял, что в белковых кристаллах слишком много воды и при высушивании они утрачивают свою изначальную правильную структуру. Когда они с Ходжкин попробовали ставить эксперименты над гидратированными кристаллами, сразу проявился красивый дифракционный узор. Так было впервые доказано, что у белков может быть строго определенная структура и что это не просто случайные цепочки аминокислот.

Но в молекулах белков – тысячи, а не сотни атомов, поэтому те способы, которыми Ходжкин разгадала структуру B₁₂, здесь не годились. К счастью, за эту сложнейшую задачу взялся Макс Перуц, иммигрант из Австрии. Он покинул родину всего за несколько лет до нацистского аншлюса. Как и Ходжкин, он отправился в Кембридж, чтобы работать с Берналом, которого в те времена уже называли Премудрым. Перуц поступил в лабораторию Бернала почти сразу после того, как оттуда ушла Ходжкин, и принялся исследовать гемоглобин, крупный белок из кровяных телец, состоящий из четырех отдельных цепочек, в каждой из которых есть атом железа, доставляющий кислород из легких в ткани. Гемоглобин примерно в пятьдесят раз больше любой молекулы, которую к тому времени удалось картировать методом кристаллографии, и коллеги считали, что Перуц просто сошел с ума. Сам Перуц даже не представлял, как решить эту задачу. Он гордо демонстрировал коллегам красивые дифракционные снимки своих кристаллов, но, когда его спрашивали, а что же эти снимки значат, он быстро менял тему. Однако Брэгг, в 1938 году получивший в Кембридже титул Кавендишского профессора и пользовавшийся большим влиянием, с энтузиазмом отнесся к его целям и годами его поддерживал.

Наконец, спустя почти двадцать лет, в 1953 году, Перуц совершил прорыв. Попробовав добавлять в свои кристаллы тяжелый атом, например ртуть, он увидел, что интенсивность пятен меняется. Тяжелые атомы связывались с молекулой всего в нескольких точках, и, измеряя возникающие в пятнах отличия, можно было определить, где именно атомы расположены. Это удавалось сделать при помощи вычислений по Паттерсону, которыми уже занималась Ходжкин, но на этот раз сравнивалась интенсивность пятен для кристаллов, в которых есть или отсутствуют тяжелые атомы. Расчеты позволили определить не только положение тяжелых атомов, но и вычислить трехмерное изображение молекулы. Воспользовавшись именно этим методом, в течение следующих шести лет Перуц и его бывший студент Джон Кендрю разгадали структуру гемоглобина и более мелкого родственного ему белка, также переносящего кислород, – миоглобина.

К 1960 году, спустя полвека после определения структуры поваренной соли, удалось продемонстрировать объемную картинку белка, в молекуле которого – тысячи атомов. Началась эпоха структурной биологии.

Перуц был научным руководителем Крика, когда тот готовился к защите кандидатской, а Кендрю, как минимум официально, считался консультантом Уотсона, когда тот был постдоком. Пожалуй, далеко не случайно именно в 1962 году Перуц и Кендрю совместно получили Нобелевскую премию по физике с формулировкой «за исследования структуры глобулярных белков», а Уотсон и Крик (совместно с Морисом Уилкинсом) в тот же год были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за исследования ДНК. Именно в тот год Перуц со своим отделом переехал из переоборудованного велосипедного гаража близ Кавендишской лаборатории в центре города, где его с коллегами много лет терпели «настоящие» физики, в помещения в новом четырехэтажном здании на южной окраине Кембриджа. Так появилась Кембриджская лаборатория молекулярной биологии – LMB. Лаборатория, в которой с первого же года трудились четверо нобелевских лауреатов, начала партию с тузов.

Глава 4
Первые кристаллы

В результате самоотверженных усилий Макса Перуца и Джона Кендрю удалось впервые увидеть, как тысячи атомов в молекуле белка сочетаются в филигранные структуры. Перуц и Кендрю даже смогли рассмотреть атомы железа, связывающиеся с кислородом в гемоглобине и миоглобине.

Кристаллы – это правильные трехмерные структуры, состоящие из идентичных молекул. Здесь бывает две крайности. Составить кристалл из одноатомных молекул – все равно что сделать правильную фигуру из бильярдных шариков. Это довольно просто. Но если молекулы неправильной формы и состоят из тысяч атомов, то одинаково соориентировать их для получения фигуры не так-то просто. Небольшой сдвиг – и регулярность будет нарушена. На самом деле проблема еще сложнее, поскольку структура крупных молекул (например белковых) не жестко фиксированная. В растворах их части могут смещаться относительно друг друга. Поэтому остается лишь удивляться, как белки вообще кристаллизуются. Даже сегодня никто не в силах спрогнозировать результат кристаллизации какого-либо белка. Учитывая всю неопределенность этого процесса, было совершенно непонятно, как получить кристаллы из такой структуры, как рибосома, где атомов не тысячи, а сотни тысяч.

Изначально мы не знали, должны ли рибосомы одинакового происхождения иметь одинаковую структуру или хотя бы состоять из одного и того же набора белков. Если нет, то формирование кристалла из них было бы маловероятно. Первые признаки того, что рибосомы могут иметь правильную структуру, появились спустя десять лет после их открытия, когда Брек Байерс решил проверить, что произойдет с клетками куриного эмбриона при охлаждении. Его интересовали совсем не рибосомы, а длинные внутриклеточные волокна, так называемые микротрубочки, участвующие во множестве процессов, например в делении клеток. Занимаясь этими исследованиями в 1966 году, он заметил, что рибосомы в охлажденных клетках складываются в листы правильной формы. Толщина одного листа составляла одну рибосому, то есть это были двумерные кристаллы, а не трехмерные. Макс Перуц пригласил Байерса в LMB, чтобы поработать над его двумерными кристаллами. Байерс побывал там дважды – в 1960-х и 1970-х, но интересных результатов не получил.

Тем временем молодые ученые из LBM, Найджел Анвин и Ричард Хендерсон, разработали иной способ выяснить структуру биомолекулы. Анвин был долговязым парнем с прической «битловский горшок», а коренастый Хендерсон в шортах и сандалиях выглядел как подросток. Оба были энергичны и всерьез настроены оставить след в науке. Они работали над выяснением структуры белка бактериородопсина, расположенного в мембране галобактерий и позволяющего извлекать энергию из света. На тот момент не существовало надежного способа получать трехмерные кристаллы из мембранных белков: они расположены в жировой оболочке липидных мембран, окутывающих клетки, и, следовательно, нерастворимы в воде. Анвин и Хендерсон решили рассмотреть плоские кристаллы через электронный микроскоп.

Длина волны у электронов меньше, чем у рентгеновских лучей. С помощью электронов уже было открыто атомное строение различных веществ, в частности металлов и минералов. Но для рассмотрения биомолекул с их низкой контрастностью, которая при рассеивании частиц не позволяет четко видеть структуру на фоне окружающей воды и липидных мембран, требовалось заведомо разрушительное количество электронов. Тогда Анвин и Хендерсон разработали новый метод определения структуры молекул плоского кристалла, применяя электронный микроскоп с малыми дозами электронов.

В 1972 году Анвину попалась статья о том, что рибосомы ооцитов (клеток, из которых развиваются яйца) одного вида ящериц складываются в правильные плоские решетки вроде тех, что наблюдал Байерс. Анвин написал автору этой статьи Карлосу Таддеи, заинтересовавшись этими кристаллами, но ответа не получил даже после неоднократных попыток. Затем, набравшись не иначе как суровой решимости, он проделал на поезде путь от Кембриджа до Неаполя, добрался до лаборатории Таддеи и постучал ему в дверь. В конце концов Таддеи на некоторое время прибыл в LBM, чтобы поработать с Анвином. Вдобавок к своему странному нежеланию отвечать на письма, Таддеи и в других отношениях проявил себя эксцентричным и асоциальным. Он запомнился в LBM тем, что любил подымить трубкой у себя в лаборатории, из-за чего то и дело срабатывала пожарная сигнализация.

Анвин посвятил изучению этих кристаллов пару лет, и, хотя кое-какие данные ему удалось добыть, стало понятно, что кристаллы из ящеричьих ооцитов недостаточно хороши для определения детальной атомной структуры. Поэтому Анвин в конце концов забросил эту задачу и переключился на другие исследования. Они с Хендерсоном выполнили основополагающие работы по строению мембранных белков. Ящерицы Анвина, которых тот держал на цокольном этаже, разбежались и размножились, и даже годы спустя их можно было повстречать неподалеку от здания.

Однако эти тупиковые находки все равно были очень важны, потому что позволили доказать осуществимость кристаллизации рибосом и наличие в них определенной структуры. Оставался вопрос: могут ли рибосомы сложиться в трехмерный кристалл? К середине 1970-х удалось кристаллизовать многие белковые молекулы крупнее гемоглобина, в том числе большие белковые агрегаты и целые вирусы. Хотя рибосомные субъединицы вдесятеро крупнее самой большой кристаллизованной молекулы, было вполне небезосновательно попытаться «уговорить» их сформироваться таким же образом.

Одним из тех, кто думал именно так, был Хайнц-Гюнтер Виттманн. Вместе с женой Бригиттой Виттманн-Либольд он исследовал генетический код на материале вируса табачной мозаики, гены которого хранятся в единственной молекуле РНК, а не ДНК. В 1966 году Виттманн стал директором нового Института молекулярной генетики имени Макса Планка в Берлине. При указании адреса на бумагах из отдела, которым он руководил, обычно ставилась его фамилия (в настоящее время руководители отделов из Института Макса Планка редко присваивают отделу собственную фамилию, предпочитая указывать область исследований).

Не боясь увольнения, Виттманн мог запускать долгосрочные проекты. С немецкой педантичностью он организовал свой отдел под изучение всех возможных аспектов рибосом. Некоторые из поставленных задач на тот момент были важны, но умопомрачительно трудозатратны – например, очистка рибосомных белков и тщательное секвенирование каждого из них. Метод секвенирования ДНК, изобретенный Фредериком Сенгером в 1977 году, существенно ускорил процесс, направив его на ген белка, а не на весь белок. Но Виттманн был достаточно умен, чтобы понимать: суть работы рибосом именно в их структуре.

Через пару лет после того как Виттманн взялся за руководство отделом, в мире кристаллографии появился интересный персонаж, тоже немец – Хаско Парадис. Педиатр по образованию, он взялся за работу над кристаллизацией молекул. Казалось, не найдется такой молекулы, которая ему неподвластна. Он первым получил кристаллическую тРНК, а также множество крупных белковых комплексов. Единственная проблема заключалась в том, что тщательной проверки его работа не выдержала. Когда Дэвид Блоу, один из основоположников кристаллографии ферментов, рассмотрел рентгеновские дифракционные снимки так называемых кристаллов РНК, показанных Парадисом на лекции в лондонском Кингс-Колледже, он сразу распознал, что на самом деле это молекула химотрипсина – белка, который он сам кристаллизовал уже много лет назад. После конфликта Парадису пришлось покинуть Кингс-Колледж.

Учитывая его успехи в кристаллизации столь многих важных белков, Парадису предложили работу в отделе Виттманна, который наверняка был в курсе обстоятельств отъезда Парадиса из Лондона. Проработав у Виттманна до 1974 года, он опубликовал статью о кристаллизации рибосом и после этого получил профессорскую кафедру в Свободном Университете Берлина. Несколько лет спустя, в 1983 году, Уэйн Хендриксон и несколько других ведущих кристаллографов изложили журналу Nature свои убеждения, что основные элементы исследований Парадиса представляют собой «заведомо неверную интерпретацию» и «должны быть отброшены»¹⁰. Хотя Парадис и ответил на это письмо, защищая свою работу, вскоре он был вынужден оставить берлинский пост по причинам (он это подчеркивал) совершенно другого характера и исчез из мира структурной биологии.

Зачастую достаточно всего лишь сказать о чем-то «это возможно», чтобы сломать колоссальный психологический барьер и мотивировать людей что-то попробовать. Пусть даже результаты Парадиса о синтезе кристаллической тРНК были в основном опровергнуты, Брайан Кларк, также работавший над данной проблемой в то время, рассказывал, что его подстегнули именно заявления Парадиса, а некоторые его выводы даже пригодились ему при синтезе настоящих кристаллов тРНК. А Виттманн, не обращавший внимания на провалы Парадиса (или не веривший, что это провалы), продолжал искать сотрудника, который попытался бы кристаллизовать рибосому.

Одним из таких сотрудников сталл Боб Флеттерик, канадский кристаллограф, успешно работавший в Университете провинции Альберта в Эдмонтоне. Он был влюблен в девушку-немку, с которой решил провести пару лет в Германии. В начале 1978 года он связался с Виттманном и спросил, может ли поработать в его институте над кристаллизацией рибосом. Виттманн согласился, и по его рекомендации несколько месяцев спустя Флеттерику присудили стипендию Александра Гумбольдта – жалованье, превышающее доход от преподавательской должности в Канаде. Однако союз Флеттерика и Виттманна так и не состоялся, поскольку девушка Флеттерика вдруг изменила планы, и его больше ничто не влекло в Германию. К тому времени ему поступило множество предложений о преподавательской работе в США, и остаток карьеры он провел штатным сотрудником Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Возможно, потерпев неудачу и с Парадисом, и с Флеттериком, Виттманн упал духом, но ему повезло, и к нему обратилась Ада Йонат, которая обладала идеальным для проекта сочетанием амбиций и упорства.

На тот момент Йонат была штатным преподавателем в израильском Институте Вейцмана. После знакомства с Виттманном на конференции она предложила ему сотрудничество. К счастью, у Виттманна как раз была неиспользованная стипендия Гумбольдта, и он быстро договорился, чтобы вместо Флеттерика ее получила Йонат.

Рис. 4.1. Хайнц-Гюнтер Виттманн (публикуется с разрешения Бригитты Виттманн-Либольд) и Ада Йонат (публикуется с разрешения Уильяма Дуа)

Путь Йонат в Берлин был непрост, ей пришлось преодолеть ряд мучительных преград. Она выросла в Иерусалиме в небогатой ортодоксальной семье, находящейся в бедственном положении из-за смерти отца в возрасте сорока двух лет. Родители всячески мотивировали Аду учиться, но обстоятельства вынудили девушку помогать кормить семью. Было понятно, что она далеко пойдет, поскольку ей удалось окончить Еврейский университет в Иерусалиме и защитить кандидатскую диссертацию в Институте Вейцмана. Окончив постдокторантуру в США, она вернулась в Институт Вейцмана, чтобы преподавать.

Работу, связанную с исследованием рибосом, Йонат начала с попытки кристаллизовать один белковый фактор, помогающий рибосоме начать сборку с нужной точки мРНК, но, работая год, почти не получила результата. Кроме того, ей пришлось пережить простой в несколько месяцев после несчастного случая – велосипедной аварии. В тот период, как она рассказала в интервью Элизабет Пенниси для журнала Science в 1999 году, она осознала, что в лаборатории Виттманна приготавливают множество очищенных рибосом от самых разных организмов, и попросила его разрешения попробовать кристаллизовать их.

Опыт работы Йонат в кристаллографии сводился к исследованию пары небольших белков; кроме того, у нее еще не было публикаций, посвященных рибосомам. Однако после двух осечек с Парадисом и Флеттериком Виттманн, пожалуй, был только рад, что кто-то по доброй воле хочет взяться за столь нетривиальный проект. В той же статье под авторством Пенниси Йонат вспоминала: «Он сказал, что это мечта его жизни, и обеспечил меня всем необходимым»¹¹.

Прорывы в биологии зачастую происходят благодаря тому, что ученый правильно подобрал подопытное животное. Например, изучить передачу нервных импульсов удалось на гигантских аксонах кальмаров – их волокна настолько толстые, что в них можно вставить электрод. Первые генетики работали с дрозофилами, так как эти плодовые мушки очень быстро размножаются, и у них можно отслеживать множество визуальных маркеров, например цвет глазок, чтобы логически вывести, как наследуются различные признаки. В мире бактерий стандартным организмом для всевозможных биохимических и генетических исследований является кишечная палочка (Escherichia coli, E. Coli), так как ее легко выращивать: численность удваивается каждые двадцать минут. Латинское название бактерии указывает как на ее первооткрывателя, Теодора Эшериха, так и на то, что она обитает в прямой кишке. Она известна широкой публике в основном из-за тяжелых вспышек дизентерии, которую могут вызывать некоторые ее вирулентные штаммы. Неудивительно, что именно кишечная палочка стала основным биоматериалом для получения очищенных рибосом и их изучения, а в лаборатории Виттманна она имелась в избытке. Первые попытки кристаллизовать ее рибосомы позволили синтезировать лишь микрокристаллы, настолько мелкие, что пользы в них было не больше, чем в плоских кристаллах, исследуемых под электронным микроскопом. Требовался новый организм, и, к счастью, коллега Виттманна Фолькер Эрдманн нашел его.

В пятнадцатилетнем возрасте Эрдманн эмигрировал из Германии в США, где окончил старшие классы и колледж в Нью-Гэмпшире. Ему было любопытно вернуться на историческую родину, поэтому в аспирантуру он отправился в Германию. Защитив кандидатскую диссертацию, Эрдманн стал работать в лаборатории у Масаясу Номуры в Висконсине. Он знал, что Номуре удалось разобрать и вновь собрать малую субъединицу рибосомы (30S), поэтому захотел проверить, получится ли проделать то же самое с большой субъединицей (50S). Названия субъединиц бактериальных рибосом (30S и 50S) характеризуют, как быстро они выпадают в осадок в пробирке при центрифугировании. Заглавная буква S означает «единицы Сведберга», названные в честь шведского ученого Теодора Сведберга, исследовавшего скорость седиментации молекул в ультрацентрифуге. Инересно, что коэффициент седиментации целой бактериальной рибосомы равен 70S, а не 80S, так как скорость оседания частицы зависит от ее формы (а также массы).

Изначально Эрдманн попытался пересобрать субъединицы 50S кишечной палочки, так как именно эту бактерию Номура использовал для изучения 30S субъединиц. Но ему ничего не удалось, и он переключился на бактерию Bacillus stearothermophilus. В ее название заключено слово «жаролюбивый», она обитает в горячих источниках при температуре около 60 °C. Разобрав 50S-субъединицы рибосом этих бактерий-термофилов, он смог повторить тот же прием, что удался Номуре с малой субъединицей. После стажировки, в последний раз выбирая между США и Германией, он поступил на работу в отдел Виттманна в Берлине, где организовал себе лабораторию, прихватив образцы 50S-субъединиц.

Однажды в конце 1970 года Йонат и Виттманн рассказали Эрдманну, что планируют заняться кристаллизацией рибосом, и спросили, хотел бы он поучаствовать. Эрдманн согласился им помочь, если они станут работать с рибосомами знакомых ему бактерий. Поскольку молекулы жароустойчивых бактерий более стабильны, предполагалось, что их будет проще кристаллизовать. Коллеги решили встретиться ближайшим воскресным утром. Эрдманн также попросил подойти свою супругу Ханне-лору, работавшую вместе с ним, поскольку она знала, где в холодильнике лежат старые образцы большой субъединицы. Йонат приступила к их кристаллизации вместе с Эрдманном и его женой. Эрдманн вспоминал, как всего через три дня, в среду, Виттманн сообщил ему, что кристаллы получены. Барендт Теше, оператор электронного микроскопа, подтвердил, что у них действительно есть кристаллы 50S-субъединицы.

Команда старалась доработать первичные мелкие кристаллы. Когда исходный биоматериал Эрдманна закончился, пришлось выделять большую субъединицу из свежедобытых рибосом, но повторить результат не получалось. Первые кристаллы субъединиц держали в холодильнике при температуре –80 °C четыре года, и Эрдманн в шутку волновался, что придется снова ждать четыре года, пока из свежих очищенных рибосом начнут оформляться кристаллы.

Получить готовые объемные кристаллы из молекулы, в которой несколько сотен тысяч атомов, – большое достижение. Но вместо того, чтобы с помпой объявить об этом, ученые опубликовали свои результаты в совсем новом (ныне не действующем) журнале Biochemistry International. Виттманн был его основателем и редактором, поэтому едва ли кто-то прочел статью. Я спросил Эрдманна, почему Виттманн выбрал этот относительно маргинальный форум для публикации столь важных результатов, а не обратился в Nature или Science. Он предположил, что Виттманн немного переживал после эпизода с Парадисом, поэтому не хотел шумихи, но видел необходимость как минимум зафиксировать серьезное достижение в печати.

Вдохновившись первым совместным успехом, Виттманн сделал все от него зависевшее, чтобы обеспечить Йонат долгосрочную поддержку в дальнейшей работе над проектом. Он попытался выбить для нее такой же руководящий пост, как для себя, но чопорное Общество Макса Планка, явно не впечатленное регалиями, имевшимися у Йонат на тот момент, ответило отказом. В конце концов он убедил Общество предоставить ей специализированную лабораторию в Гамбурге, в непосредственной близости от немецкого синхротрона, чьи мощные рентгеновские лучи могли понадобиться для изучения кристаллов. Не менее важно, что он предоставил ей обширную поддержку и со стороны собственного отдела, где организовал получение и сбор характеристик рибосом. За годы сотрудничества они с Йонат крепко сдружились.

Их успех мотивировал и других подключиться к такой работе. Советское правительство организовало в городке Пущино крупный научный центр. Там находилось несколько хорошо финансируемых НИИ, во главе одного из которых стоял блестящий биохимик и специалист по рибосомам Александр Сергеевич Спирин. Как и Виттманн, он руководил большим научным отделом, где изучались практически все аспекты рибосом. Он был не столь систематичным, как Виттманн, обладал богатым научным воображением и был готов публиковать смелые идеи. Кроме того, Спирин показал себя очень независимым человеком, не прогибавшимся перед начальством. Так, однажды ему предложили подписать петицию с инициативой исключить из АН СССР Андрея Сахарова – знаменитого физика-ядерщика, диссидента, создателя советской водородной бомбы. Открытый отказ подписывать такую петицию мог показаться политически недальновидным поступком со стороны видного члена Академии наук, к тому же директора крупного НИИ, поэтому Спирин решил ненадолго отправиться в охотничий поход в леса, прилегающие к Пущино.

Одна из его сотрудниц, Мария Борисовна Гарбер, руководила небольшой группой, пытавшейся кристаллизовать отдельные белки рибосомы или факторы белков, обеспечивающие различные функции рибосом. Как и остальные, она работала на материале кишечной палочки.

Гарбер изменила подход к исследованию рибосом в 1978 году, прочитав один японский отчет, в котором описывалась работа с новой термофильной бактерией, на материале которой удалось кристаллизовать два важных белка, действовавших в рибосоме. Немного тавтологично названная Thermus thermophilus, она была обнаружена Тайро Ошимой в горячих источниках на полуострове Идзу в 1971 году. Лучше всего она растет при температуре 75 °C.

Гарбер на несколько месяцев съездила в Японию и в декабре 1979 года привезла в СССР несколько таких бактериальных культур – но, к сожалению, микроорганизмы погибли в дороге. Она попросила Ошиму прислать ей свежие клетки по почте, и они благополучно прибыли. К концу 1980 года Гарбер с коллегами успели плодотворно поработать над этими бактериями и получили красивые кристаллы белка (вернее, белкового фактора), названные фактором элонгации G, помогающего рибосоме двигаться по мРНК.

Рис. 4.2. Мария Борисовна Гарбер с коллегами в подмосковном Пущино. Справа в верхнем ряду – Марат Юсупов (публикуется с разрешения Марии Гарбер)

Первый успех с белками T. thermophilus вдохновил Гарбер и ее коллег еще поэкспериментировать с этим организмом. Оказалось достаточно дорого выращивать T. thermophilus в СССР, и Гарбер пригласила других советских ученых, чтобы вместе разобрать бактерию на все белки, какие только могут пригодиться.

Среди коллег Гарбер был Игорь Николаевич Сердюк, занимавшийся «контактами с зарубежными партнерами», часто и без проблем выезжавший на Запад даже в разгар холодной войны. Ранее он применял методы с низкой разрешающей способностью, в общих чертах описывая форму рибосом, поэтому, естественно, ему было интересно, удастся ли кристаллизовать их при помощи материалов из лаборатории Гарбер. Он и его студентка Елизавета Карпова очистили рибосомы T. thermophilus и получили очень мелкие кристаллы, подобные первым кристаллам, синтезированным в Берлине. После этого успеха Гарбер обратилась к Спирину с просьбой поддержать группу и ее попытки кристаллизовать рибосомы нового штамма.

Он согласился, и к делу подключились еще несколько человек, среди которых следует особо отметить Марата Юсупова, студента Спирина. Не имея серьезного опыта в кристаллизации, ученые обратились за помощью к двум сотрудникам Московского института кристаллографии – Владимиру Барынину и Сергею Траханову. К 1986 году они смогли кристаллизовать малую субъединицу, а также, воспользовавшись приемом, с помощью которого Траханов очищал рибосомы, – целую рибосому. Теперь, с учетом 50S-кристаллов, полученных силами Йонат и Виттманна, в распоряжении ученых были и обе субъединицы, и вся рибосома.

Юсупов представил свои результаты в виде плаката, продемонстрированного в июле 1987 года в Бишенбуре близ Страсбурга во Франции, а месяц спустя эта работа была опубликована в престижном научном журнале FEBS Letters. Через пару месяцев Йонат и Виттманн сообщили, что им также удалось кристаллизовать малую субъединицу и целые рибосомы на материале того же штамма T. thermophilus. Они опубликовали свои результаты в том же самом никому не известном журнале Biochemistry International. На следующий год Йонат написала о том, что удалось улучшить кристаллы малой субъединицы (30S), и теперь они выглядели как минимум не хуже советских.

Это могло привести к жесткой конкуренции между советской и германской группами, но такого не произошло. Русские получали гораздо меньше финансирования, чем немцы, и были хуже оснащены, особенно для кристаллографической обработки больших молекул. Пытаясь вывести исследования на следующий этап, Марат Юсупов и его супруга Гульнара отправились в Страсбург, где собирались продолжить кристаллографическое исследование рибосом вместе с Жаном-Пьером Эбелем и Дино Морасом. По причинам, оставшимся неизвестными для Юсупова, Эбель в какой-то момент решил прекратить сотрудничество. Спирин считал, что Йонат и Виттманн убедили Эбеля, что соперничать с ними не стоит.

Каковы бы ни были реальные причины, советские наработки по кристаллизации рибосом затухли. Мария Гарбер вернулась к своим прежним научным интересам: исследованию отдельных рибосомных белков и факторов. Разочаровавшись в бесплодной работе, некоторые ключевые представители советской исследовательской группы разъехались по всему миру. Несколько лет спустя, в середине 1990-х, Юсупов написал Гарри Ноллеру, ведущему биохимику и специалисту по рибосомам из Калифорнийского университета в городе Санта-Крус, попросив разрешения поработать над структурой рибосом в его лаборатории, но эту историю лучше оставить на потом. Сергей Траханов вел по сути кочевую жизнь, успев на протяжении двадцати лет поработать в Японии и США. Он также некоторое время работал и в лаборатории у Ноллера, после того как оттуда отбыл Юсупов; затем Траханов вернулся в Европу.

С фактическим закрытием советского проекта Йонат осталась во главе единственной группы, занимавшейся кристаллографией рибосом. К концу 1980-х еще не удалось получить ни одного настолько хорошего кристалла, чтобы в нем просматривалась атомная структура обеих субъединиц рибосомы, а тем более – всего объекта целиком. Но они уже вполне годились для того, чтобы примерно судить о том, как в рибосоме взаимодействуют белки и РНК.

Действительно, структура рибосомы постепенно складывалась в карту из размытых изображений, полученных при помощи электронного микроскопа. Часть актуальной на тот момент работы была связана с антителами, то есть с белками, которые синтезируются нашей иммунной системой и могут прикрепляться к строго определенным мишеням. В рамках одного эксперимента Джим Лейк из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе синтезировал антитела, распознававшие начало новоиспеченного белка. В 1982 году он продемонстрировал, что эти антитела прикрепляются к тыльной части большой субъединицы, то есть ровно напротив той точки, где новая аминокислота с тРНК прикрепляется к наращиваемой полипептидной цепи. Напрашивался вывод, что в большой субъединице должен быть туннель: своеобразные родовые пути, которые предстоит миновать новой белковой цепочке, прежде чем появиться с другой стороны. В 1986 году Найджел Анвин подтвердил наличие такого туннеля, проанализировав при помощи электронного микроскопа плоские кристаллы, полученные из ящеричьих рибосом. В следующем году Йонат и Виттманн также сообщили, что в субъединице есть туннель, опираясь на изученные методом электронной микроскопии плоские срезы тех рибосомных кристаллов, которые получили сами. Оба этих отчета базировались на изображениях в низком разрешении, далеких от сегодняшнего представления рибосомы, но ученые уверенно идентифицировали в качестве туннеля, существование которого было уже доказано Лейком, другие объекты.

Если не считать этих результатов, прогресс был медленным. Даже спустя десятилетие после того, как были получены первые трехмерные кристаллы рибосом, оставалось неясным, удастся ли построить на их основе методом рентгеновской кристаллографии хоть какие-нибудь внятные карты. Тем не менее Ада Йонат цеплялась за эту мечту и стремилась улучшить свои кристаллы.