Физика

Генетический детектив: увидеть невидимое

Глава из книги «Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии»

Indicator.Ru

Как рентгеновская кристаллография позволила ученым заглянуть внутрь непрозрачных объектов, какую строчку из всего интеллектуального наследия человечества считал самой важной Ричард Фейнман и как любовь отвлекает одних ученых от работы и приводит других к Нобелевке, читайте в главе из книги лауреата этой премии Венки Рамакришнан.

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 жизне-деятельности; 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”».

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.

Рентгеновские лучи попадают на кристалл, в результате получаются дифракционные пятна

Иллюстрация из книги

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.

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 при- близительно 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, удовлетворя- ющих условию Брэгга, и каждая из них может давать дифрак- ционное 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.

Плоскости кристалла; как они отражают рентгеновские лучи под разными углами

Иллюстрация из книги

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.

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 плен- ке 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». 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». 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 кри- сталлизации 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 экс- периментов. 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 мож- но 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?

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.

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

Иллюстрация из книги

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.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Если вы хотите, чтобы мы рассказали о вашей лаборатории, пишите на адрес science@indicator.ru.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.