Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии

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.