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

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.

Глава 5

Мекка кристаллографии

Тем временем в середине 1980-х меня начала выматывать работа в Брукхейвене, где я пытался из имевшегося материала хоть что-то извлечь известными мне методами. К счастью, через несколько лет мне составил компанию Стив Уайт, прибывший из Виттманновского отдела в Берлине. Он вырос в рабочем квартале Ист-Лондона, и шансов куда-то выбиться у него было мало. Однако ум и везение помогли ему поступить в среднюю школу, куда принимали с одиннадцати лет по результатам вступительного экзамена.

Потом он получил высшее образование в Бристоле и защитил кандидатскую в Оксфорде. Общительный и дружелюбный Стив понимал мои неприличные шутки и, как типичный англичанин, любил выпить пива с друзьями и увлекался всевозможным спортом. Его девушка-индианка прилетела к нему, в Америку, но вскоре пара рассталась. Количество женщин в Брукхейвене стремилось к нулю, но каким-то образом Стиву с его английским акцентом, очарованием и душой нараспашку удалось пережить там целую серию романов.

Будучи в Берлине, Стив вместе с Китом Уилсоном, Кристофом Аппельтом и другими работал над решением более осуществимых задач, чем исследование субъединицы: выясняли строение отдельных рибосомных белков. Расшифровали один, затем, после долгого перерыва, – второй, оставалось еще сорок восемь. Но даже если разгадать их все, получится разве что каталог деталей, но не схема сборки. Полагаю, они надеялись, что эти структуры сами подскажут, как из них получается рибосома. Прибыв в Брукхейвен, Стив был полон решимости продолжать начатый проект.

Он оказался подкованным кристаллографом. Я же, в свою очередь, много знал о том, как разбирать рибосому и очищать ее белки. Стив предложил поработать вместе, и наш тандем просуществовал более пятнадцати лет.

Я отправился в Йель, чтобы воспользоваться гигантским биореактором и вырастить в нем достаточное количество тех самых бактерий Bacillus stearothermophilus, на материале которых берлинская группа получила свои первые 50S-кристаллы. Но обнаружив, насколько это кропотливая работа и как мало очищенного белка получается в результате, я стал искать другой способ. Так сложились звезды, что я оказался в нужном месте в нужное время. Мои коллеги Билл Стадиер и Джон Данн пытались заставить обычную бактерию E. coli в больших количествах производить разные белки. Они использовали методы генной инженерии, сшивая промотор («стартовую площадку» для начала транскрипции) от вируса Т7 и ген, кодирующий нужный им белок. Так бактерия E. coli фактически превращалась в фабрику по производству необходимых исследователям белков. Я взял небольшой творческий отпуск, чтобы прямо у нас в отделе изучить инструментарий молекулярной биологии, и попросил Стива немного подождать.

На тот момент в моей команде работали всего двое лаборантов – Сью Эллен Герчман и Вито Грациано, которым пару лет спустя составила компанию Хелен Киця. Под руководством Билла и Джона мы со Сью Эллен быстро клонировали гены всех белков, которые уже успели кристаллизовать Стив и его берлинские коллеги. Вскоре после этого мы сделали еще множество белков и просто просияли, когда генетически измененные или рекомбинантные белки, сделанные в E. coli, кристаллизовались так же, как белки, извлеченные из термофильных бактерий.

[11] Pennisi, 1999.