Текст книги "Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии"

Глава 3. Начало цифрового века в биологии

Если мы были правы, что, конечно, еще не доказано, то это значит, что нуклеиновые кислоты – не только структурно важные, но и функционально активные вещества в определении биохимических активностей и специфических характеристик клеток, и что посредством известных химических веществ возможно индуцировать предсказуемые и наследуемые изменения в клетках. Это было давнишней мечтой генетиков.

Освальд Эвери в письме к своему брату Рою, 1943{44}44
  Avery, O. T. Letter quoted by R. D. Hotchkiss. “Gene, transforming principle, and DNA.” In Phage and the Origins of Molecular Biology, edited by J. Cairns, G. S. Stent, and J. D. Watson. Cold Spring Harbor, N. Y.: Cold Spring Harbor Laboratory of Quantitative Biology, 1966.


[Закрыть]

В том же году, когда Шрёдингер читал свои эпохальные лекции в Дублине, наконец была открыта химическая природа его «кодированной записи» и вообще наследственности. Это дало новый взгляд на тему, интересовавшую, интриговавшую, захватывавшую и морочившую наших предков с самой зари человеческого сознания. У великого воина могло быть много детей, но ни один из них не имел той же стати или склонностей к битвам. Иные семьи поражала некая болезнь, причем она проявлялась из поколения в поколение в каком-то случайном порядке, ею страдали одни потомки и не болели другие. Почему у индивидуумов проявляются или, чаще, не проявляются определенные физические черты родителей и даже более дальних родственников? Одни и те же вопросы задавали тысячи лет, и не только о нашем собственном виде, но и о скоте, посевных культурах, плодовых растениях, собаках и так далее.

На протяжении тысячелетий со времени зарождения земледелия и одомашнивания животных об этих тайнах появлялось много догадок. У Аристотеля было смутное представление о фундаментальных принципах, когда он писал, что в курином яйце заключено «понятие» цыпленка, а желудь «осведомлен» о том, как устроен дуб. В XVIII веке в результате развития знаний о растительном и животном разнообразии, а также систематики стали появляться новые идеи о наследственности. Дед Чарльза Дарвина, Эразм Дарвин (1731–1802), могучая интеллектуальная сила в Англии XVIII века, сформулировал одну из первых формальных теорий эволюции в первом томе «Зоономии, или Законов органической жизни»{45}45
  Darwin, Erasmus. Zoonomia; or the Laws of Organic Life (1794). http://books.google.co.uk/books?id=A0gSAAAAYAAJ


[Закрыть] (1794–1796), где он сказал, что «все живые животные произошли от одного живого волокна». Классическая генетика в том виде, как мы ее понимаем, началась в 1850-х и 1860-х, когда моравский монах Грегор Мендель (1822–1884) попытался составить правила наследственности, по которым происходит гибридизация растений. Но лишь в последние семьдесят лет ученые сделали замечательное открытие, что «волокна» или «нити», которые предложил Эразм Дарвин, действительно используются для программирования каждого организма на планете с помощью молекулярных роботов.

До середины прошлого века большинство ученых считали, что нести генетическую информацию могут только белки. С учетом того, что жизнь так сложна, они полагали, что ДНК – полимер, состоящий всего из четырех химических единиц, – слишком проста по строению, чтобы передавать достаточно данных следующему поколению, и что это просто поддерживающая структура для белкового генетического материала. Белки же сделаны из двадцати разных аминокислот и имеют сложную первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры, а ДНК – это всего лишь полимерная нить. Только белки, которые окутывают хромосомы, казались достаточно сложными, чтобы работать как шрёдингеровский «апериодический кристалл», способный нести весь объем информации, которую следует передавать от клетки к клетке во время ее деления.

Это отношение начало меняться в 1944 году, когда были опубликованы подробности красивого простого эксперимента. Открытие, что именно ДНК, а не белок, настоящий носитель наследственной информации, было сделано Освальдом Эвери (1877–1955) в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке. Выделив вещество, которое могло менять некоторые свойства одного штамма бактерий на свойства другого в процессе, называемом трансформацией, он обнаружил, что полимер ДНК и был на самом деле тем «трансформирующим фактором», который придавал клеткам новые свойства.

Эвери, которому тогда было 65 лет и который уже собирался на пенсию, и его коллеги Колин Манро Маклеод и Маклин Маккарти повторили то же наблюдение, что почти на двадцать лет раньше сделал бактериолог Фредерик Гриффит (1879–1941) в Лондоне. Гриффит изучал пневмококк (Streptococcus pneumoniae) – бактерию, которая вызывает эпидемии пневмонии и существует в двух разных формах: R-форме, которая под микроскопом выглядит шершавой (rough) и незаразна, и S-форме, или smooth, гладкая, которая может вызывать смертельно опасную болезнь. У пациентов с пневмонией обнаруживались обе формы – R и S.

Гриффит задумался, не превращаются ли друг в друга летальная и безобидная формы бактерии. Чтобы ответить на этот вопрос, он придумал хитрый эксперимент, в котором колол мышам безвредные R-клетки вместе с S-клетками, предварительно убитыми нагревом. Можно было ожидать, что мыши выживут, поскольку когда им кололи только убитую вирулентную форму S, то грызуны выживали. Однако неожиданно, когда живая невирулентная форма R поступила вместе с мертвыми клетками формы S, мыши стали умирать. Из умерших мышей Гриффит получил живые клетки как R-, так и S-типа. Он рассудил, что некая субстанция из убитых нагревом S-клеток перешла в R-клетки и превратила их в S-форму. Поскольку это изменение наследовалось в поколениях бактерий, было сочтено, что этот фактор – генетический материал. Гриффит назвал этот процесс «трансформацией», хотя не имел представления об истинной природе «трансформирующего фактора».

Ответ появился почти через двадцать лет, когда Эвери с коллегами повторили эксперимент Гриффита и доказали методом исключения, что этот фактор – ДНК. Они поочередно убирали белок, РНК и ДНК, используя ферменты, которые переваривают лишь каждый отдельный компонент клетки: в данном случае это были протеазы, РНКазы и ДНКазы соответственно{46}46
  Avery, O. T., Colin M. MacLeod, and Maclyn McCarty. “Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III.” Январь 1944. Exстр. Med., 79, стр. 137–158.


[Закрыть]. Последовавшая статья оказала действие, однако вовсе не сразу, потому что научное сообщество не торопилось расставаться с уверенностью в том, что для объяснения генетики необходима сложность белков. В книге «Нобелевские премии и науки о жизни» (2010) Эрлинг Норрби, бывший генеральный секретарь Шведской королевской академии наук, обсуждает, почему так неохотно принимали открытие Эвери: хотя работа его группы была убедительной, скептики приводили рассуждения, что всё равно была возможность, что трансформацию обеспечивали малые количества какого-то другого вещества, например устойчивого к протеазам белка{47}47
  Stegenga, Jacob. “The Chemical Characterization of the Gene: Vicissitudes of Evidential Assessment Hist.” Phil. Life Sci., 33 (2011), стр. 105–127.


[Закрыть].

Тем временем большие успехи были достигнуты в изучении белков, в частности в 1949 году, когда британец Фредерик Сэнгер определил последовательность аминокислот в гормоне инсулине – замечательное достижение, за которое он будет награжден Нобелевской премией. Его работа показала, что белки – это не комбинация близкородственных веществ без единой структуры, а на самом деле одно вещество{48}48
  Sanger, F., 1952. “The arrangement of amino acids in proteins.” Adv. Protein Chem. 7, стр. 1–66.


[Закрыть]. Сэнгер, которого я глубоко уважаю, без сомнения, один из самых виртуозных научных новаторов всех времен благодаря его особому вниманию к разработке новых методов{49}49
  Stretton, Antony O. W. “The First Sequence: Fred Sanger and Insulin.” Genetics, October 1, 2002, Vol. 162, № 2, стр. 527–532.


[Закрыть]. («Из трех главных видов деятельности, из которых состоит научная работа – думать, говорить и делать, – я предпочитаю последний и, вероятно, умею это лучше всего. Я вполне справляюсь с думанием, но не очень хорошо говорю»{50}50
  Sanger, F., 1988. “Sequences, sequences, and sequences.” Annu. Rev. Biochem. 57, стр. 1–28.


[Закрыть].) Его подход принес отличные дивиденды.

Идея, что нуклеиновые кислоты держат ключ к наследственности, постепенно начала преобладать в конце 1940-х и в начале 1950-х, когда были поставлены другие успешные эксперименты по трансформации – например, было показано, что РНК из вируса табачной мозаики сама по себе заразна. И все же признание, что ДНК – это наследственный материал, приходило медленно. Истинное значение экспериментов Эвери, Маклеода и Маккарти стало ясно только в следующем десятилетии, когда накопилось достаточно данных. Один из ключевых для данной гипотезы фактов был получен в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Коулз Чейз продемонстрировали, что ДНК – это генетический материал вируса, известного как бактериофаг Т2, способный заражать бактерии{51}51
  Hershey, A. D., and M. Chase (1952). “Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage.” J. Gen. Physiol. 36, стр. 39–56.


[Закрыть]. Значительно лучше стали понимать, что ДНК – это генетический материал, в 1953 году, когда ее структура была выявлена Уотсоном и Криком во время работы в Кембридже (Англия). Предыдущие исследования установили, что ДНК состоит из кирпичиков, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из сахара-дезоксирибозы, фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований – аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Фосфаты и сахара соседних нуклеотидов сцепляются и образуют длинный полимер. Уотсон и Крик установили, как эти детали соединяются вместе в элегантную трехмерную структуру.

Чтобы достичь этого, они использовали критически важные данные, полученные другими учеными. От Эрвина Чаргаффа они узнали, что четыре разных химических основания в ДНК обнаруживаются парами, что чрезвычайно важно, когда дело доходит до понимания «ступенек», из которых состоит лестница жизни. (В мою коллекцию по истории науки в моем бесприбыльном Институте Крейга Вентера входит лабораторный блокнот Крика того времени, где записаны неудачные попытки повторить эксперимент Чаргаффа.) Они получили ключ к решению от Мориса Уилкинса, который первым поразил Уотсона своими новаторскими рентгеновскими исследованиями ДНК, и Розалинд Франклин. На фото № 51 (также экспонат коллекции в Институте Вентера), сделанном Рэймондом Гослингом в мае 1952 года, видны черные перекрещенные отражения, которые оказались ключом к молекулярной структуре ДНК, выявляющие, что это двойная спираль, в которой буквы текста ДНК соответствуют перекладинам{52}52
  Фото 51, сделанное Франклином, теперь стало экспонатом в музее истории науки в Институте Крейга Вентера.


[Закрыть].

25 апреля 1953 года статья Уотсона и Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты»{53}53
  Watson, J. D., and F. H. Crick (апрель 1953). “Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid.” Nature 171 (4356), стр. 737–738.


[Закрыть] вышла в Nature. Спиральная структура ДНК стала прозрением, «намного красивее, чем мы ожидали», пояснил Уотсон, потому что комплементарная природа букв – то есть составляющих ее нуклеотидов – ДНК (буква А всегда стоит в паре с Т, а Ц с Г) сразу же показала, как копируются гены при делении клетки. Хотя это был давно искомый механизм наследственности, реакция на статью Уотсона и Крика была далека от немедленной. Но признание в конце концов пришло, и через девять лет Уотсон, Крик и Уилкинс поделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года «за их открытия молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живой материи».

Однако двое ученых, предоставивших важнейшие данные, не были включены в число лауреатов: Эрвин Чаргафф (и он был обижен и озлоблен до конца своих дней){54}54
  http://oralhistories.library.caltech.edu/33/0/OH_Sinsheimer.pdf


[Закрыть], и Розалинд Франклин, умершая в 1958-м, в 37 лет от рака яичников. Освальд Эвери несколько раз номинировался на Нобелевскую премию, но он умер в 1955 году, до того, как признание его достижений стало достаточным, чтобы его наградить. Эрлинг Норрби приводит слова Горана Лильестранда, секретаря Нобелевского комитета Каролинского института, из его обзора 1970 года по Нобелевским премиям по физиологии и медицине: «Открытие Эвери в 1944 году роли ДНК как носителя наследственности представляет собой одно из самых важных достижений в генетике, и достойно сожаления, что он не получил Нобелевской премии. К тому времени, как утихли голоса несогласных, он уже умер»{55}55
  Erling Norrby. Nobel Prizes and Life Sciences. World Scientific Publishing Company; 24 сентября 2010.


[Закрыть].

История Эвери иллюстрирует, что даже в академической среде, где должен господствовать рациональный, основанный на доказательствах научный взгляд, вера в конкретную теорию или гипотезу может ослеплять ученых годами и даже десятилетиями. Эксперименты Эвери, Маклеода и Маккарти были так просты и элегантны, что их легко можно было повторить; для меня остается загадкой, почему этого не сделали раньше. Наука отличается от других областей приложения усилий тем, что старые идеи отпадают, когда набирается достаточно много противоречащих им данных. Но, к несчастью, этот процесс занимает время.

Жизнь клетки на самом деле зависит от двух типов нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Современная теория считает, что жизнь началась в мире РНК, потому что она более универсальна, чем ДНК. РНК играет двойную роль – как носителя информации, так и фермента (рибозим), способного катализировать химические реакции. Как и ДНК, РНК состоит из линейной последовательности химических букв. Три из этих букв – А, Ц и Г – те же, что и в ДНК, а вместо тимина (Т) в РНК входит урацил (У). Ц всегда связывается с Г; А связывается только с Т или У. Так же как в ДНК, одиночная цепочка РНК может соединиться с другой цепочкой, состоящей из комплементарных букв. Уотсон и Крик предположили, что РНК – это копия записи ДНК в хромосоме, переносящая эту запись в рибосому, где производятся белки. Программа ДНК транскрибируется, т. е. переписывается в виде молекулы информационной (матричной) РНК (мРНК). В цитоплазме текст мРНК транслируется (т. е. «переводится») в белки.

Только в 1960-х ДНК была наконец широко признана «главным» генетическим материалом, но потребовались работы Маршалла Уоррена Ниренберга (1927–2010) в Национальных институтах здравоохранения (НИЗ) в Бетесде (Мэриленд) и уроженца Индии Хара Гобинда Кораны (1922–2011) в Университете Висконсина в Мэдисоне, чтобы действительно расшифровать генетический код, используя синтетические нуклеиновые кислоты. Они обнаружили, что ДНК использует свои четыре разных типа оснований наборами по три – так называемыми кодонами, чтобы обозначить каждую из двадцати разных аминокислот, используемых клетками для производства белков. Этот триплетный код, таким образом, дает шестьдесят четыре возможных кодона, часть которых служит знаками препинания (стоп-кодоны), обозначающими конец белковой последовательности. Роберт Холли (1922–1993) из Корнелла выяснил структуру другого вида РНК, называемого транспортной (тРНК), которая переносит определенные аминокислоты к великолепной молекулярной машине – рибосоме, где они собираются в белки. За эти многое прояснившие работы Ниренберг, Корана и Холли в 1968 году поделили Нобелевскую премию.

Мне повезло в разное время встречаться со всеми троими, но, работая в Национальных институтах здравоохранения, я особенно хорошо знал Маршалла Ниренберга. Его лаборатория и офис были этажом ниже моих в строении 36 обширного кампуса НИЗ, и я часто заходил к нему, когда только начинал заниматься секвенированием ДНК и геномикой. Открытый, доброжелательный человек, глубоко интересовавшийся всеми областями науки, он всегда увлекался новыми технологиями – до самой своей смерти. Открытие им совместно с Кораной генетического кода будут помнить как одно из самых значительных в науках о живом, так как оно объясняет, как линейный полимер ДНК кодирует линейную последовательность аминокислот в белках. Это основной принцип «центральной догмы» молекулярной биологии: информация переходит от нуклеиновых кислот к белкам.

1960-е стали началом молекулярно-биологической революции отчасти благодаря появлению возможности монтировать ДНК с помощью рестриктаз. Рестриктазы были независимо открыты Вернером Арбером в Женеве и Хэмилтоном О. Смитом, работавшим в Балтиморе. Хэм Смит, мой старый друг и сотрудник, опубликовал в 1970 году две важных статьи, описывающие рестрикционный фермент, полученный из бактерии Haemophilus influenzae. Один из ключевых биохимических механизмов, применяемых бактериями для защиты от чужой ДНК, – это ферменты, которые могут быстро нарезать на кусочки попавшую в клетку чужеродную ДНК, разрезая цепочку только в тех местах, где есть строго определенные последовательности нуклеотидов. Дэниэл Натанс, работавший со Смитом в Балтиморе, первым применил рестриктазы для «генетической дактилоскопии» и картирования. Эти ферменты позволяют ученым манипулировать с ДНК так же, как вырезают и вставляют фрагменты текста на экране компьютера. Способность резать генетический материал точно по известным местам – это основа всей генной инженерии и генетической экспертизы по ДНК. Эта экспертиза революционизировала криминалистику и идентификацию преступников по ДНК, оставленной на месте преступления, к примеру, в виде волос, кожи, спермы или слюны, отпечатков пальцев. Смит, Натанс и Арбер разделили в 1978-м Нобелевку за свои открытия: без них молекулярная инженерия могла и не возникнуть.

Семидесятые годы ХХ века принесли начало генно-инженерной революции – потенциально столь же глубокого изменения, как зарождение сельского хозяйства в неолите. Когда ДНК из одного организма искусственно помещают в геном другого и затем она воспроизводится и используется этим другим организмом, это называется рекомбинантной ДНК. Внедрение этой технологии было по большей части работой Пола Берга, Герберта Бойера и Стенли Нормана Коэна. Работая в Стэнфорде, Берг задумался, возможно ли вставить чужие гены в вирус, таким образом создав «переносчика», которого можно использовать, чтобы перенести эти гены в новые клетки. Его выдающийся эксперимент 1971 года состоял во внедрении участка ДНК бактериального вируса, известного как лямбда, в ДНК обезьяньего вируса SV40{56}56
  Jackson, D. A., R. H. Symons, and P. Berg (1972). “Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of simian virus 40: Circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli.” Proceedings of the National Academy of Sciences 69 (10), стр. 2904–2909.


[Закрыть].

Берг получил за эту работу свою долю Нобелевской премии 1980 года по химии, но он не сделал следующий шаг – не поместил рекомбинантную ДНК в животных. Первое трансгенное млекопитающее было создано в 1974 году Рудольфом Дженишем и Беатрис Минц, поместившими чужеродную ДНК в мышиный эмбрион{57}57
  Jaenisch, R., and B. Mintz (1974). “Simian Virus 40 DNA sequences in DNA of helath adult mice derived from preimplantation blastocysts injected with viral DNA.” Proceedings of the National Academy of Sciences 71 (4), стр. 1250–1254.


[Закрыть]. Когда в обществе стало расти беспокойство на тему потенциальной опасности таких экспериментов, Берг сыграл активную роль в обсуждении того, насколько сдержаны и ограничены должны быть подобные разработки. В 1974 году группа американских ученых предложила мораторий на эти исследования. На очень представительной встрече, организованной в следующем году Бергом в отеле Asilomar Conference Grounds в Пасифик Гроув (Калифорния), были обозначены добровольные границы. Кое-кто опасался, что эти рекомбинантные организмы могут оказаться непредсказуемыми, болезнетворными и смертоносными, что они могут утечь из лабораторий и распространиться. Противовес этим страхам составляли аргументы в поддержку генетической инженерии, особенно те, что высказал Джошуа Ледерберг, профессор из Стэнфорда и нобелевский лауреат{58}58
  Lederberg, Joshua. “DNA Splicing: Will Fear Rob Us of Its Benefits?” Prism 3 (ноябрь 1975), стр. 33–37.


[Закрыть]. В 1976 году Национальные институты здравоохранения выпустили свои рекомендации по безопасному проведению исследований рекомбинантной ДНК, отзвуки которых до сих пор слышны в продолжающихся спорах о генно-модифицированных сельскохозяйственных растениях и в совсем недавних дискуссиях об использовании во благо и во зло исследований генетики гриппа.

После эксперимента Берга по внедрению генов в 1971 году следующим шагом вперед в молекулярном клонировании стала вставка ДНК бактерии одного вида в бактерию другого, где она воспроизводилась при каждом делении. Этот шаг сделали в 1972 году Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Коэн из Стэнфордского университета. Их исследование, в котором ДНК стафилококка была размножена в Escherichia coli (самой многочисленной бактерии человеческого кишечника), установило, что генетический материал может действительно перемещаться между видами, опровергнув таким образом долго державшееся представление. Еще большим триумфом межвидового клонирования было отмечено введение в E. coli генов южноафриканской шпорцевой лягушки Xenopus, популярного лабораторного животного. Несмотря на общественные опасения, быстро возникло довольно много компаний по разработке технологии рекомбинантной ДНК.

На переднем крае биотехнологической революции была компания «Генентек», основанная в 1976 году Бойером и венчурным инвестором Робертом А. Суонсоном. В следующем году, еще до того, как «Генентек» переехал в собственные помещения, Бойер и Кеиити Итакура в медицинском центре «Город надежды» (City of Hope) в Дуарте (Калифорния), работая с Артуром Риггзом, использовали технологию рекомбинантной ДНК, чтобы получить от E. coli человеческий белок соматостатин (который играет существенную роль в регуляции гормона роста). После этой вехи они обратились к более сложной молекуле – инсулину. Если бы им удалось заменить свиной инсулин, который тогда использовался для лечения диабета, это открыло бы огромный потенциальный рынок. Компания «Эли Лилли» подписала соглашение о совместном предприятии с «Генентеком» по разработке производственного процесса, и в 1982 году рекомбинантный инсулин под брендовым названием Humulin стал первым биотехнологическим продуктом, появившимся на рынке. К тому времени у «Генентека» было много соперников, включая некоторое количество мелких стартапов, поддерживаемых крупными фармацевтическими компаниями.

От этих первых открытий молекулярная биология стремительно разрослась до области, в которой практикуются все университеты мира и которая стала основой для многомиллиардного бизнеса, производящего наборы, тесты, реагенты, научное оборудование. Клонированы или клонируются и ежедневно изучаются гены едва ли не любых видов, включая бактерии, дрожжи, растения и млекопитающих. В исследовательских лабораториях и биотехнологических компаниях создаются метаболические пути, побуждающие клетки производить продукты в спектре от фармацевтики до еды, промышленных химикатов и энергоносителей.

Одновременно с этим прорывом в понимании «программного обеспечения» жизни – ДНК – значительно продвинулось и описание ее «аппаратной части» – белков. Белки – это базовые строительные блоки клетки, фундаментальной структурной единицы всех известных живых существ, от единственной клетки бактерии до тех ста триллионов, из которых состоит человеческое тело. Как упоминалось выше, мир клетки впервые был обнаружен Робертом Гуком, о котором некоторые говорят как об английском Леонардо да Винчи. Гук был первым британским ученым, показавшим, как экспериментальный метод с применением инструментов реально работает и приносит нарастающее знание. В своем шедевре Micrographia{59}59
  https://pictures.royalsociety.org/image-rs-6108


[Закрыть] (1665) Гук описал клетки (само слово cell происходит от латинского cellula – «ячейка»), разглядев сотовую структуру среза пробки под микроскопом. Каждое живое существо на земле состоит из клеток, окруженных мембраной, которая создает изолированный внутренний объем. Там находится генетический материал и клеточные механизмы для его репликации.

Первые двадцать лет ХХ века в микробиологии в попытках идентифицировать молекулярную основу этой «аппаратной части» господствовала так называемая «коллоидная теория». В то время не было четких доказательств существования больших молекул, и «биоколлоидисты» утверждали, что антитела, ферменты и все такое прочее на самом деле состоят из коллоидов, то есть разнообразных смесей маленьких молекул{60}60
  Diechmann, Ute. “ ‘Molecular’ versus ‘Colloidal’: Controversies in Biology and Biochemistry, 1900–1940. ”Bll. Hist. Chem. Vol. 32, № 2 (2007). http://www.scs.illinois.edu/~mainzv/HIST/awards/OPA%20Papers/2009-Deichmann.pdf


[Закрыть]. В центре их внимания были не гигантские органические молекулы, удерживаемые вместе сильными ковалентными связями, а агрегации мелких молекул, удерживаемых вместе относительно слабыми связями. В начале 1920-х, однако, эта точка зрения пошатнулась благодаря немецкому химику-органику Херманну Штаудингеру (1881–1965), который показал, что такие большие молекулы, как крахмал, целлюлоза и белки, на самом деле представляют собой длинные цепочки из коротких повторяющихся молекулярных блоков, удерживаемых вместе ковалентными связями. Однако поначалу представление Штаудингера о том, что он называл Makromoleküle (макромолекулы), встретило почти всеобщее неприятие. Макромолекулярная теория была отвергнута даже коллегами Штаудингера по Швейцарской высшей технической школе (ETH) в Цюрихе, где он был профессором, пока не переехал в 1926-м во Фрайбург. И только в 1953-м (в год открытия двойной спирали) Штаудингер наконец получил Нобелевскую премию за свой весомый вклад в науку.

В последние годы мы пришли к тому, что рассматриваем клетку, эту основную единицу жизни, как фабрику, взаимосвязанный ряд сборочных линий, движимых белковыми машинами{61}61
  Alberts, Bruce. “The Cell as a Collection of Protein Machines: Preparing the Next Generation of Molecular Biologists.” Cell, Vol. 92, стр. 291 (6 февраля 1998).


[Закрыть], созданными эволюцией за тысячи, миллионы или даже миллиарды лет для выполнения специальных задач. Эта модель отмечает возрождение идеи, имевшей хождение в XVII веке, прежде всего в трудах Марчелло Мальпиги (1628–1694), итальянского врача, одного из первых микроскопистов{62}62
  Piccolino, Marco. “Biological machines: from mills to molecules.” Nature Reviews Molecular Cell Biology 1, стр. 149–152 (ноябрь 2000).


[Закрыть]. Мальпиги предположил, что телесными функциями управляют крохотные «органические машинки».

Теперь мы знаем, что это белки, образующие множество различных классов. Катализаторы, например, ускоряют огромное разнообразие химических реакций, а фиброзные белки вроде коллагена – это главный структурный элемент, четверть всех белков, найденных у позвоночных, то есть животных со спинным хребтом, включая млекопитающих. Эластин, напоминающий резину, составляет основу легочной ткани и стенок артерий. Мембраны вокруг наших клеток содержат белки, которые помогают вводить и выводить молекулы в клетку и из клетки и участвуют в клеточной коммуникации; глобулярные белки связывают, преобразуют и выпускают химические вещества. И так далее.

Последовательность ДНК непосредственно кодирует структуру каждого белка, определяющую его активность. Генетический текст определяет линейную последовательность аминокислот, которая в свою очередь определяет сложную трехмерную структуру окончательного белка. После синтеза эта линейная полипептидная цепочка складывается в свою характерную форму: некоторые части образуют пластины, другие – стопки, складки, завитушки, закручиваются в спирали и в другие сложные конфигурации, которыми определяется работа механизма. Некоторые части белковой машины гибкие, другие – жесткие. Некоторые белки – это сборочные узлы, части большей трехмерной белковой машины.

Давайте посмотрим на АТФ-синтетазу как на один из примечательных и ярких примеров молекулярной машины. Этот фермент, в двести тысяч раз меньше булавочной головки, сделан из тридцати одного белка и, вращаясь с частотой 60 раз в секунду, способен создавать энергетическую валюту клеток – молекулу аденозинтрифосфата, или АТФ. Вы не смогли бы двигаться, думать или дышать без этого механизма. Другие белки – это моторы, как динеин, за счет которого движется сперматозоид; миозин, который движет мышцами; и кинезин, который «ходит» на паре ножек (когда присоединяется топливо в виде АТФ, одна ножка отгибается и шлепает вокруг, пока не зацепится, чтобы сделать следующий шаг) и имеет хвост, чтобы возить грузы по клеткам. Некоторые из этих транспортных роботов приспособлены для перемещения только одного вида груза: таков гемоглобин, который состоит из четырех белковых цепочек – двух альфа и двух бета, каждая из которых располагает кольцеобразной группой гема, в центре которой находится атом железа, чтобы разносить кислород по всему телу. Железо обычно крепко сцепляется с кислородом, но этот созданный эволюцией механизм обеспечивает обратимую связь молекулы кислорода с каждым из четырех гемов в каждой молекуле гемоглобина.

Светопоглощающий пигмент – это секрет одной из самых важных на свете машин, той, которая управляет экономикой жизни океанов и поверхности планеты. Хотя разные виды растений, водорослей и бактерий развили различные механизмы для запасания световой энергии, у них у всех есть структура, называемая фотохимическим реакционным центром. Там можно найти белки-антенны, включающие в себя несколько молекул светопоглощающего пигмента хлорофилла. Они улавливают солнечный свет в виде частиц света – фотонов, а потом проводят их энергию через серию молекул в реакционный центр, где она используется для чрезвычайно эффективного превращения углекислоты в сахара. Фотосинтетические процессы происходят в местах, настолько плотно набитых пигментными молекулами, что там вступают в игру квантово-механические процессы{63}63
  Engel, Gregory S., Tessa R. Calhoun, Elizabeth L. Read, Tae-Kyu Ahn, Tomaš Mancal, Yuan-Chung Cheng, Robert E. Blankenship & Graham R. Fleming. “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems.” Nature 446, стр. 782–786 (12 апреля 2007).


[Закрыть]. (Самая головокружительная ветвь физики, квантовая механика – разработанная в числе других Эрвином Шрёдингером, – имеет дело с микроскопическими явлениями.) Это одна из нескольких квантовых машин, используемых живыми существами в зрении, электронном и протонном туннелировании, обонянии и магниторецепции{64}64
  Fleming, Graham R., Gregory D. Scholes, Yuan-Chung Cheng. “Quantum effects in biology.” Procedia Chemistry, Vol. 3, Issue 1, 2011, стр. 38–57, ISSN1876–6196, 10.1016/j.proche.2011.08.011. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876619611000507


[Закрыть]. Это выдающееся открытие – еще одно доказательство идей Шрёдингера, который также рассматривал возможность того, что квантовые флюктуации играют роль в биологии{65}65
  Martin-Delgado, M. A. “On Quantum Effects in a Theory of Biological Evolution.” Scientific Reports 2, Article number: 302, 12 марта 2012.


[Закрыть].

Каждая молекулярная машина создана эволюцией для автоматического выполнения очень специфической задачи, от восприятия зрительных образов до сгибания мышц. Вот почему можно думать о них как о маленьких роботах. Как писали Чарльз Тэнфорд и Жаклин Рейнольдс в книге «Природные роботы» (2001), «у него нет сознания; он не управляется разумом или высшим центром. Всё, что делает белок, заложено в его линейный текст, производный от текста ДНК».

Самый важный прорыв в молекулярной биологии после открытия генетического кода был в определении деталей главного робота – рибосомы, которая занимается синтезом белка и таким образом направляет производство всех остальных клеточных роботов. Молекулярные биологи десятки лет знали, что в рибосоме сосредоточен центр всех танцев с производством белков. Чтобы функционировать, рибосоме нужны две вещи: матричная РНК (мРНК), инструкция по изготовлению белка, скопированная из хранилища генетической информации в клетке – с ДНК; и транспортная РНК (тРНК), которая приносит на хвосте аминокислоты, используемые для создания белка. Рибосома кодон за кодоном считывает последовательность с мРНК и к каждому кодону подбирает тРНК с соответствующим антикодоном, выстраивая их груз – аминокислоты – в правильном порядке. Рибосома также действует как катализатор-рибозим: соединяет аминокислоты ковалентной химической связью, добавляя их тем самым к растущей белковой цепочке. Синтез прекращается, когда в последовательности РНК появляется кодон «стоп», но после этого полимер из аминокислот должен еще сложиться в нужную трехмерную структуру, чтобы стать биологически активным белком.

Бактериальные клетки содержат около тысячи рибосомных комплексов, что позволяет им непрерывно синтезировать белок – как для замены деградировавших белковых молекул, так и для изготовления новых для дочерних клеток во время деления. Рибосому можно рассматривать под электронным микроскопом и видеть, как она изгибается и меняет форму в ходе работы. Проворот храповика{66}66
  Frank, Joachim, and Rajendra Kumar Agrawal. “A ratchet-like inter-subunit reorganization of the ribosome during translocation.” Nature 406, стр. 318–322 (20 июля 2000).


[Закрыть] в глубине рибосомы – ключевой момент белкового синтеза. Весь синтез белка происходит чрезвычайно быстро: сборка цепочки длиной около ста аминокислот занимает секунды.

Как и в случае двойной спирали, выявить подробности строения рибосомы удалось с помощью рентгеновской кристаллографии. Сначала, однако, надо было заставить рибосомы кристаллизоваться – как кристаллизуется из раствора соль, когда выпаривается вода, – чтобы получить хорошо организованные кристаллы из миллионов рибосом, собранных в правильные структуры, которые можно изучать с помощью рентгеновских лучей. Ключевое открытие было сделано в 1980-х, когда Ада И. Йонат в Израиле в содружестве с Хайнцем-Гюнтером Виттманом в Берлине вырастили кристаллы из бактериальных рибосом, выделенных из микроорганизмов горячих источников и Мертвого моря. Секреты бактериальной рибосомы были раскрыты в 2005 году, а строение эукариотной – дрожжевой – рибосомы в высоком (трехангстремном) разрешении было опубликовано французской группой в декабре 2011 года[6]6
  Один ангстрем – это примерно размер одного атома, одна десятимиллиардная метра.


[Закрыть].