Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии

Было ясно, что по итогам сорокалетнего труда по разгадке секретов рибосомы одними лишь химическими методами ничего не оставалось, кроме как попробовать другие методы. В той самой статье, где Крик предположил, что первые рибосомы могли целиком состоять из РНК, он также отмечал: «Без более полного представления о структуре современных рибосом сложно высказать обоснованное предположение»[15].

Глава 7

Рубеж преодолен

Кроме статьи Гарри Ноллера из Science, мое внимание в период творческого отпуска привлекла и другая краткая заметка 1991 года: Ада Йонат сообщала, что ей удалось коренным образом улучшить кристаллы большой субъединицы. Впервые кристаллы вышли настолько качественными, чтобы на их основе можно было полностью определить атомную структуру целой рибосомной субъединицы, содержащей сотни тысяч атомов. Рубеж был пройден. Здесь необходимо пояснить, в каком случае кристалл можно считать достаточно качественным.

До сих пор мы опирались на то, что кристаллы образуются из молекул, укладывающихся ровными рядами в трехмерную структуру, именуемую кристаллической решеткой. Если молекула большая и гибкая, как белковая, то при кристаллизации она не примет в решетке ровно такую же ориентацию, что и соседствующие с ней молекулы. Итоговое изображение – это результат совокупного вклада миллионов отдельных молекул, образующих кристалл. Если все молекулы в кристалле расположены по-разному, то вклад каждой из них неясен. Для сравнения: представьте себе, как будут отличаться многократные фотографические экспозиции неподвижного и движущегося объектов.

Рис. 7.1. Дифракция и детализация, фиксируемая при разном разрешении

Качество кристалла зависит не от того, насколько аккуратно он выглядит, а от того, насколько хорошо он рассеивает рентгеновские лучи. Как я упомянул в главе 3, разрешение позволяет судить, насколько близко расположены два участка, которые не наслаиваются друг на друга. На практике о качестве разрешения кристалла можно судить, рассмотрев, насколько велика градусная мера угла, на которую распространяются в стороны от входящего пучка пятна рентгеновской дифракции.

Плохой кристалл дает всего несколько дифракционных пятен по бокам от основного рентгеновского пучка, позволяющих составить лишь общие представления о его форме. В более качественных кристаллах, обеспечивающих разрешение 5–7 ангстрем, можно рассмотреть некоторые черты белков (одноцепочечные альфа-спирали в виде трубочек), ДНК и РНК (бороздки в спиралях). В кристаллах с хорошей дифракцией пятна видны под очень широкими углами, вплоть до теоретического предела, связанного с длиной волны рентгеновского излучения. (Как вы помните, невозможно рассмотреть детали, удаленные друг от друга менее чем на половину длины волны.) На данном пределе у простых молекул, например солей, просматриваются отдельные атомы, напоминающие шарики. Но для белков практически никогда не удается достичь разрешения в 1 ангстрем, возможного для молекул. А по мере того как молекулы становятся все крупнее и гибче, они редко приобретают при кристаллизации форму, обеспечивающую высокое разрешение при дифракции: чем больше угол охвата, тем более размытыми становятся дифракционные пятна, пока, наконец, совсем не исчезают. Соответственно, чем больше угол, в рамках которого просматриваются дифракционные пятна, тем выше разрешение структуры. В среде специалистов принято говорить и о разрешении кристалла, и даже о разрешении конкретного дифракционного пятна.

Имея разрешение выше 3,5 ангстрем, можно определить атомную структуру, поскольку на данном уровне начинают просматриваться характерные черты аминокислот и оснований. Аминокислоты, входящие в состав белков, отличаются по форме: бывают большие и плоские, длинные и тонкие или обрубленные. Если знать порядок, в котором они должны идти, можно составить белковую цепочку, ориентируясь на контуры аминокислот, словно вы собираете большой трехмерный пазл. Аналогично, в ДНК и РНК, основания Т (U) и С – маленькие, а основания А и G – большие. Химическую структуру молекул на таких картах можно воссоздать с точностью до атомов, но при сборке возможны ошибки, поскольку у нас нет правильного ответа – полной картины, которую размещают на коробочке с пазлом.

Итак, есть пороговое значение примерно в 3,5 ангстрем. Если добиться более высокого разрешения, вы, вероятно, сможете разгадать атомную структуру, а при разрешении ниже 4 ангстрем это будет непросто, если только вы уже не представляете в общих чертах, как именно выглядит молекула.