Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии

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.

Глава 4

Первые кристаллы

В результате самоотверженных усилий Макса Перуца и Джона Кендрю удалось впервые увидеть, как тысячи атомов в молекуле белка сочетаются в филигранные структуры. Перуц и Кендрю даже смогли рассмотреть атомы железа, связывающиеся с кислородом в гемоглобине и миоглобине.

Кристаллы – это правильные трехмерные структуры, состоящие из идентичных молекул. Здесь бывает две крайности. Составить кристалл из одноатомных молекул – все равно что сделать правильную фигуру из бильярдных шариков. Это довольно просто. Но если молекулы неправильной формы и состоят из тысяч атомов, то одинаково соориентировать их для получения фигуры не так-то просто. Небольшой сдвиг – и регулярность будет нарушена. На самом деле проблема еще сложнее, поскольку структура крупных молекул (например белковых) не жестко фиксированная. В растворах их части могут смещаться относительно друг друга. Поэтому остается лишь удивляться, как белки вообще кристаллизуются. Даже сегодня никто не в силах спрогнозировать результат кристаллизации какого-либо белка. Учитывая всю неопределенность этого процесса, было совершенно непонятно, как получить кристаллы из такой структуры, как рибосома, где атомов не тысячи, а сотни тысяч.

Изначально мы не знали, должны ли рибосомы одинакового происхождения иметь одинаковую структуру или хотя бы состоять из одного и того же набора белков. Если нет, то формирование кристалла из них было бы маловероятно. Первые признаки того, что рибосомы могут иметь правильную структуру, появились спустя десять лет после их открытия, когда Брек Байерс решил проверить, что произойдет с клетками куриного эмбриона при охлаждении. Его интересовали совсем не рибосомы, а длинные внутриклеточные волокна, так называемые микротрубочки, участвующие во множестве процессов, например в делении клеток. Занимаясь этими исследованиями в 1966 году, он заметил, что рибосомы в охлажденных клетках складываются в листы правильной формы. Толщина одного листа составляла одну рибосому, то есть это были двумерные кристаллы, а не трехмерные. Макс Перуц пригласил Байерса в LMB, чтобы поработать над его двумерными кристаллами. Байерс побывал там дважды – в 1960-х и 1970-х, но интересных результатов не получил.

Тем временем молодые ученые из LBM, Найджел Анвин и Ричард Хендерсон, разработали иной способ выяснить структуру биомолекулы. Анвин был долговязым парнем с прической «битловский горшок», а коренастый Хендерсон в шортах и сандалиях выглядел как подросток. Оба были энергичны и всерьез настроены оставить след в науке. Они работали над выяснением структуры белка бактериородопсина, расположенного в мембране галобактерий и позволяющего извлекать энергию из света. На тот момент не существовало надежного способа получать трехмерные кристаллы из мембранных белков: они расположены в жировой оболочке липидных мембран, окутывающих клетки, и, следовательно, нерастворимы в воде. Анвин и Хендерсон решили рассмотреть плоские кристаллы через электронный микроскоп.

Длина волны у электронов меньше, чем у рентгеновских лучей. С помощью электронов уже было открыто атомное строение различных веществ, в частности металлов и минералов. Но для рассмотрения биомолекул с их низкой контрастностью, которая при рассеивании частиц не позволяет четко видеть структуру на фоне окружающей воды и липидных мембран, требовалось заведомо разрушительное количество электронов. Тогда Анвин и Хендерсон разработали новый метод определения структуры молекул плоского кристалла, применяя электронный микроскоп с малыми дозами электронов.