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

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].

[7] Гриббин Д., Гриббин М. Ричард Фейнман. Жизнь в науке / Пер. с англ. Н. Зубченко. – М.; Ижевск: Ин-т компьют. исслед. 2002.