Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии: читать начало книги онлайн

Узнав, что Том и Питер решили объединиться для изучения рибосом, я поначалу всерьез обеспокоился, поскольку понимал, что они станут мне грозными соперниками. Но потом выдохнул, узнав, что они полностью сосредоточились на субъединице 50S, взяв за основу улучшенные кристаллы Ады на материале H. marismortuii. Мы с Томом пересеклись на встрече в Сиэтле, и я спросил, правда ли он собирается бодаться с Адой. Он улыбнулся и сказал: «Ну, мы надеемся разминуться как-нибудь!»

Некоторое время я также раздумывал, не опробовать ли мою стратегию определения фаз на материале 50S-субъединиц Ады, но не хотел вступать с ней в прямое соперничество, считая, что коллеги этого не одобрят. Естественно, ни одна научная проблема никому не принадлежит. Но на заре развития кристаллографии белков, когда и рентгеновское оборудование, и компьютеры были достаточно примитивны, и требовалось так много времени, чтобы собрать данные, необходимые для расшифровки структуры, – существовала традиция: если кто-то смог получить кристаллы какого-то вещества, то их изучение оставалось его прерогативой. Но с рибосомой все сложилось иначе: ведь она была так важна, и столько лет прошло с момента получения ее кристаллов, а явного прогресса в расшифровке ее структуры не наблюдалось.

Ада пользовалась поддержкой Хайнца-Гюнтера Виттмана и Джона Кендрю. Ее лаборатория находилась рядом с синхротроном. Обществом Макса Планка для нее в Берлине было организовано получение рибосом с последующей кристаллизацией. Институт Вейцманна выдал ей исключительно длительное разрешение на работу в Германии, сохраняя за ней пожизненный контракт и лабораторию в Израиле. Широкое научное сообщество тепло к ней относилось: со времен ее первого прорыва она регулярно приглашалась на международные конференции.

Но ни ей, ни кому-либо еще из ее лаборатории не удавалось расшифровать большие и сложные структуры. Кроме того, она не сотрудничала ни с одной группой опытных кристаллографов. Мне эта ситуация представлялась так: альпинист, не покоривший ни одного серьезного пика, решает возглавить первую экспедицию на Эверест, даже не взяв с собой бывалых шерпов. Та же отчаянная упертость, благодаря которой она решалась браться за практически нерешаемые задачи в отделе Виттмана, а также настойчивость, позволившая ей в конце концов получить хорошие кристаллы субъединицы 50S, оказалась помехой при переходе на следующий этап. Было неудивительно, что через пятнадцать лет после первого сообщения о полученных ею кристаллах даже те, кто восхищался ее усилиями, проявляли нетерпение.

Когда Том и Питер официально подключились к делу, я интересовался, как сообщество отнеслось к ним. За обедом на конференции я спросил у известного британского кристаллографа Гая Додсона, что он скажет, если Том воспользуется кристаллами, открытыми Адой, и вступит в соперничество с ней. Он без малейших колебаний ответил, что уже пришло время другим приниматься за работу с этими кристаллами.

Как бы то ни было, пусть у меня и была лишь маленькая группа и ограниченные ресурсы, я чувствовал, что сейчас и у меня есть шанс подключиться к этому делу. Пусть они тягаются с Адой в гонке за субъединицей 50S, а я спокойно займу собственную нишу – субъединицу 30S. Полный решимости, я отправился в Юту.

Глава 9

Юта. Начало

На первых порах перспектива начать в Юте все с нуля удручала. В Брукхейвене я оставил хорошо оснащенную лабораторию с парой отличных сотрудников, а также множество симпатизировавших коллег, которые помогли мне состояться как независимому ученому. Я привык работать один; несколько месяцев подряд студенты и постдоки, проходя по коридору, могли наблюдать, как я распаковываю коробки, настраиваю оборудование и пытаюсь добиться каких-то результатов.

Люди в Юте тоже оказались очень приветливыми и готовыми прийти на выручку. За год вокруг меня сформировалась группа, работавшая над рибосомами: два аспиранта, постдок и лаборант. Были и другие, работавшие над хроматином, в том числе Боб Датнолл. Пестрая компания. Проект, которым мы зарабатывали на жизнь, по-прежнему заключался в проработке моего гранта от Национальных институтов здравоохранения (NIH), полученного со Стивом Уайтом: он заключался в раскрытии структуры отдельных белков, входивших в рибосому. Поскольку белков было много, это занятие могло помочь нам продержаться некоторое время. К тому времени я уже был совершенно убежден, что эта работа превратилась в затянувшееся коллекционирование, но она помогала тренировать коллег в кристаллографии.

Первым, кто ко мне присоединился, был Бил Клемонс, крупный и высокий афроамериканец с короткой стрижкой и большими очками. Он настаивал, что его имя правильно пишется именно с одной «л», чтобы Била было удобнее отличать от тезки-отца – дирижера оркестра Военно-морских сил США. Дядя Била Кларенс был саксофонистом в оркестре Брюса Спрингстина; после смерти Кларенса его партию исполняет брат Била, Джейк. Бил поступил ко мне полный как энтузиазма, так и наивного инфантилизма. В какой-то момент он отрастил дреды и стал похож на растамана. Он показал себя крайне общительным, любил барбекю, пиво и хип-хоп. Я, вегетарианец, почти непьющий, поклонник классической музыки, в культурном плане был крайне далек от него, но все же каким-то образом мы сработались.

Сначала Бил взялся за проект в рамках ротации, положенной аспирантам-первокурсникам, и за короткое время умудрился получить кристаллы S15 небольшого рибосомного белка. К концу года ему требовалось решить, где он собирается ближайшие несколько лет готовиться к защите кандидатской диссертации. На тот момент моя полупустая лаборатория вряд ли могла соперничать по привлекательности с расположенными прямо по соседству процветающими лабораториями Уэса Сундквиста и Криса Хилла. Однако у него уже был рабочий проект S15, и благодаря этому мне удалось уболтать его остаться.

Я сказал, что у меня он может продолжить работу над этим белком, но на самом деле я нацеливаюсь на субъединицу 30S. Думал, что он отнесется к этому скептически, особенно когда узнает, что большая и хорошо финансируемая группа Ады в Германии много лет не может взломать ее структуру. Меня приятно удивило, что он загорелся этой идеей. Я предложил ему для начала взяться за пару мелких белков, чтобы он освоил основы расшифровки структур. В последующие годы энергия и оптимизм Била, а также его готовность пробовать новые и нестандартные подходы оказались бесценными.

Следующим ко мне присоединился Брайан Уимберли. Он обращался ко мне с просьбой о работе еще в Брукхейвене, но я переезжал в Юту, и поэтому он связался со мной год спустя. Диссертацию он защитил в Университете Беркли под руководством Игнасио (Начо) Тиноко, где пользовался нетипичным методом ЯМР (ядерно-магнитный резонанс), чтобы показать структуру фрагмента РНК в рибосоме. Работая в постдокторантуре в Исследовательском институте Скриппса в Ла-Хойе, он занимался изучением белков, связывающихся с кальцием, но его интерес к РНК не пропал. К концу пост-докторантуры ему пришлось выбирать между штатной преподавательской должностью в Технологическом институте штата Джорджия и повторной постдокторантурой по изучению кристаллографии. Я был рад пригласить к себе Брайана, имевшего реальный опыт работы с РНК, – сам я знал о РНК сравнительно немного, несмотря на то, что из нее на две трети состоит рибосома.

Мы сразу сработались. Я рассказывал ему, какое отличное и безопасное место город Солт-Лейк-Сити, но когда на следующее утро мы вышли на улицу, то обнаружили побитые стекла на машинах. Я заволновался, что Брайан захочет уехать, но, к счастью, Вера пригласила его на прогулку в холмы вокруг Солт-Лейк-Сити, где они прекрасным весенним утром смотрели на красоты дикой природы. Брайану нравились пешие прогулки и отдых на свежем воздухе, поэтому вопрос о переезде для него был решен.

Затем присоединиться к моему коллективу захотел Джон Маккатчен – смышленый, дерзкий и амбициозный студент из Висконсина. Я думал, что он мог бы начать работать вместе с Брайаном над кристаллизацией рибосомного белка, связывающегося с небольшим, четко определенным фрагментом РНК, но он вскоре счел эту работу слишком простой и быстро решил хоть костьми лечь, но потрудиться над расшифровкой 30S. Определенно, тот факт, что ни Бил, ни Джон особо не разбирались ни в кристаллографии, ни в рибосомах, только помог мне убедить их, что это отличный диссертационный проект.

Рис. 9.1. Лаборатория автора в Юте. На снимке: автор, Джоанна Мэй, Боб Датнолл, Брайан Уимберли, Джон Маккатчен и Бил Клемонс (публикуется с разрешения Исао Танаки)

Проблема была в том, с чего начать. Кристаллы субъединицы 30S, о получении которых впервые сообщила советская группа Гарбер, были взяты от Thermus Thermophilus. Но с момента их получения минуло почти десять лет, и по-прежнему не удавалось добиться достаточно хорошей дифракции, чтобы рассмотреть их атомную структуру.

Размышляя о том, как можно доработать эти кристаллы, я вспомнил лекцию Иоахима Франка, прочитанную в Виктории. Он не только показал изображения целой рибосомы с тРНК, но и продемонстрировал, что контуры субъединицы 30S, рассмотренные в составе рибосомы и отдельно, слегка отличаются. Напрашивался вывод, что ее молекулы гибкие. Субъединицу описывали в антропоморфном ключе; говорили, что у нее есть «головка», соединенная с основной частью, «телом», тонкой «шейкой». Причем отличия наблюдались именно в «головке» – она как будто колыхалась. Такая подвижность головки критически важна для того, чтобы тРНК могли передвигаться по рибосоме. Но гибкость – проблема для кристаллографии, ведь необходимо, чтобы все молекулы укладывались в кристаллической решетке одинаково. Возможно, думал я, чтобы синтезировать качественные кристаллы субъединицы 30S, надо как-то зафиксировать головку.

В рибосоме есть белок, помогающий ей начать движение по мРНК с нужной позиции, который называется фактором инициации 3 или IF3. Он должен прикрепляться между головкой и телом молекулы. В мой последний год в Брукхейвене мы как раз расшифровали его структуру, поэтому именно о нем я и думал. Я предложил Джону Маккатчену заблокировать субъединицу 30S, прикрепив к ней IF3, а затем попробовать ее кристаллизовать.

Мы с помощью Боба Датнолла на хроматографической колонке очистили субъединицы 30S, в частности от ферментов-рибонуклеаз и протеаз, которые могли повредить рибосому, разлагая ее РНК или белок. Это было важно по двум причинам: в таком состоянии субъединицы 30S могли неделями покоиться в капельках, причем в процессе удалялся рибосомный белок S1, связанный с рибосомой слабее, чем остальные белки. В результате у нас получались очень чистые образцы 30S.

Сначала мы решили проверить (опираясь на имеющиеся знания), достаточно ли хороши субъединицы, чтобы вообще кристаллизоваться. Мы стали добавлять белки, чьи структуры уже были расшифрованы, и постепенно выстроили модель субъединицы из кусочков. За пару месяцев мы воспроизвели исходные кристаллы советской группы. Сначала они получились мелкими, а некоторые первичные тесты показали, что при дифракции они дают картинку с очень низким разрешением, хуже, чем самые качественные образцы, полученные к тому моменту. Но постепенно кристаллы становились крупнее.

Как раз в то время нас со Стивом Уайтом пригласили в Швецию на собрание по структурным аспектам синтеза белков – то есть по структурам всех веществ, связанных с рибосомами. Организатор конференции Андерс Лильяс сотрудничал с Марией Гарбер, изучая структуры отдельных рибосомных белков, и они были дружественными соперниками нам со Стивом. Хотя работа мне уже наскучила, выдавалась возможность съездить туда и посмотреть, что происходит. На мероприятии ожидалась не только Ада, но и Питер, так что я мог взглянуть, на каком этапе сейчас находится соперничество. Была и другая причина поехать туда: я мог снова побывать в LMB в Англии по пути в Швецию. Это был не ностальгический визит вежливости – я хотел проверить, удастся ли там поработать.

В то время я чувствовал вдохновение и страх. Что будет, если придется потратить целые годы или мои идеи не сработают? Исследования на базе университета зависят от грантов, а грант действителен всего несколько лет, после чего его необходимо обновлять.

Как правило, такие гранты финансируются NIH после рецензии совета из десяти или более экспертов в определенной дисциплине. Теоретически это отличный способ обеспечения науки, и до сих пор он работает исключительно хорошо. Один ученый сравнил эту систему с рестораном: вы же не хотите зайти на кухню и посмотреть, как готовятся блюда. С такими экспертными советами есть две проблемы. Во-первых, они слишком консервативны и с трудом поддерживают смелые оригинальные предложения, отдавая предпочтения пошаговым проектам, работа над которыми представляется осуществимой. Было бы неплохо организовать такой совет, как суд присяжных: пригласить туда обладателей грантов. Другая проблема такова: каждый экспертный совет получает более тысячи предложений, по пятьдесят страниц каждое. Практика показывает, что внимательно их прочитывают лишь два представителя совета (так называемые первичный и вторичный рецензенты). Достаточно одному из рецензентов высказаться о предложении без энтузиазма – и оно, в сущности, обречено. Однажды, когда я попытался возразить первичному и вторичному рецензентам и спасти предложение, все остальные просто выставили ему среднюю оценку, то есть все равно отклонили его. Поэтому хотя на бумаге этот процесс и кажется честным, на практике он бывает произволен.

Поработав в таких советах, я мог себе представить, как будет воспринято мое предложение о рибосоме. У меня не было кристаллов; мне всего лишь казалось, что у меня есть идея, как их получить. При том, что хорошо финансируемая немецкая группа за много лет не смогла расшифровать структуру рибосомы, имея хорошие кристаллы. Мне прямо слышались сдавленные смешки, которые будут прокатываться по залу, пока мое предложение летит в мусорную корзину. Был и другой вариант: перебросить часть средств с уже имеющихся у меня грантов на сторонний проект; многие ученые именно так поступали с наиболее творческими из своих затей. Но, учитывая факт гонки и необходимость полностью сосредоточиться на проекте, я не думал, что такая стратегия будет жизнеспособна. Кроме того, если бы идеи не сработали, я потерял бы мои гранты, рискуя карьерой. В каждом научно-исследовательском институте найдутся люди, чьи работы остались без финансирования, а сами эти ученые остались сотрудниками второго сорта, которых отдел пытается выжить или маргинализировать.

Но LMB была устроена иначе. Там понимали, что на решение некоторых задач может требоваться много времени и человеческих ресурсов. Я вновь написал Ричарду Хендерсону, к тому времени ставшему директором LMB. На этот раз у меня для них было конкретное предложение. Ричард ответил, что был бы рад видеть меня.

Визит в Кембридж не походил ни на одно собеседование, в котором мне доводилось участвовать. Во-первых, речь о приеме на работу не шла. Во-вторых, там никогда не обсуждали ни одной из таких типичных вещей, как рабочее место, оборудование или, боже упаси, зарплата. Я просто рассказал о структурах тех разнообразных рибосомных белков, которые нам удалось расшифровать. Затем целый вечер мы откровенно обсуждали рибосомы с Ричардом и Тони Кроузером, который тоже был прославленным специалистом по электронной микроскопии и стал созаведующим Отдела структурных исследований. Мы поговорили о том, кто чем занимается, почему в этой нише застой, сложности какого рода мне могут встретиться и как, на мой взгляд, нужно картировать 30S. Подобный свободный интеллектуальный обмен мнениями был нетипичен для собеседования. «Давайте будем на связи», – был их вердикт. Несмотря на такой уклончивый ответ, я отправился в Швецию с ощущением, что изложенная мною идея не безумна.

Многие научные встречи проводятся в отдаленных местечках, чтобы люди действительно занимались наукой, а не отвлекались на шопинг или осмотр достопримечательностей. Таковой была старомодная деревушка Телльберг на берегах озера Сильян в Даларне, к северу от Стокгольма. Андерс Лильяс там вырос и знал уютный курортный отель, подходивший для проведения конференций с сотней участников. Крупный веселый Андерс с манерами космополита все равно оставался привязан к своему традиционному провинциальному воспитанию (выйдя на пенсию, он вернулся в фамильный дом в Телльберге). Андерса знали практически все, кто занимался изучением рибосом. Его сила была в том, что он стремился видеть в людях самое лучшее и хотел, чтобы они отвечали ему тем же. Однако в ближайшие десять лет его дипломатический талант ожидала суровая проверка.

Мне впервые предстояло услышать рассказ Питера о том, что йельская группа собирается делать со своими кристаллами: данные какого рода у них уже были и как они собирались получать фазы, критически важные для определения структуры. При работе с обычными белками хватало всего одного тяжелого атома, чтобы дать сигнал, хорошо различимый на картах Паттерсона и содержащий пиковые значения, соответствующие расстояниям между различными тяжелыми атомами в элементарной ячейке кристалла. Но чем крупнее молекула, тем незначительнее становится сигнал от тяжелого атома на фоне всего белка. Поэтому, приступая к работе со сравнительно крупными молекулами, ученые пытались использовать кластеры тяжелых атомов – это небольшие неорганические молекулы, содержащие несколько расположенных вплотную друг к другу атомов тяжелого металла, как правило тантала или вольфрама. При низком разрешении несколько атомов такого кластера действуют на снимке как единый «сверхтяжелый» атом, давая сильный сигнал. Такие кластеры уже использовались, например, для расшифровки строения ядра нуклеосомной частицы или крупного фермента рубиско, играющего ключевую роль в связывании углерода растениями. Но субъединица 50S гораздо крупнее любой из этих молекул, и к ней Ада планировала применить большие вольфрамовые кластеры, содержащие до тридцати атомов.