Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии

Таким образом, теперь микроскоп позволяет делать карты не хуже наших кристаллографических. Мы смогли применить их на множестве проектов, которые долго простаивали. Причем самое замечательное, что теперь можно обойтись без кристаллов, на синтез которых уходят годы работы, не всегда плодотворной. Более того, нужно минимальное количество исследуемого вещества и, что не менее важно, не требуется абсолютной чистоты образца. Вдруг стало совершенно нетрудно получать рибосомные структуры, в том числе очень сложные, и путь в эту дисциплину открылся для всех. Долгое время было невозможно получить структуру митохондриальной рибосомы методом кристаллографии, а затем сразу две команды – группа Ненада Бана и моя – опубликовали материал об этой структуре с разницей всего в один день.

Перемены наступили не только в исследовании рибосом. Всевозможные биологические комплексы, расшифровка которых ранее казалась неосуществимой (так как они являются короткоживущими, или их сложно получить в достаточном количестве, или они существуют во множестве конфигураций), теперь могут быть расшифрованы с детализацией практически на уровне атомов – без применения кристаллов. Кроме того, теперь становится возможным непосредственно рассматривать молекулы – то, как они существуют внутри клеток. Разворачивается новая революция в визуализации биомолекул, почти каждую неделю поступают сообщения о новых структурах.

Оглядываясь назад и вспоминая, после каких долгих мытарств удалось получить методом кристаллографии первую структуру рибосомы, кажется иронией, что сегодня на всю эту работу от начала до конца потребовались бы одна-две недели. Сейчас вся эта область изобилует структурами новых типов рибосом во всевозможных разных состояниях, и я могу себе представить, как ворчат редакторы научных журналов, получая очередную рукопись о СЕОР – Структуре Еще Одной Рибосомы.

Когда первые кристаллические структуры были продемонстрированы в Копенгагене в 1999 году, многие ученые беспокоились, что история их специализации подошла к концу. Они были правы лишь отчасти. Биохимики старались определить, какие участки рибосомы расположены вблизи друг от друга, чтобы косвенно воссоздать ее структуру. Как только атомные структуры были представлены, этим людям пришлось искать себе другое занятие, то же касалось и ученых, пытавшихся расшифровать структуры отдельных частей рибосомы. Но те, кто пытались изучать функционирование рибосомы биохимичекими методами, обнаружили, что их работа преобразилась, так как после получения структур рибосома более не казалась «черным ящиком». Генетики и биохимики смогли модифицировать рибосому и весьма точно интерпретировать изменения ее функций именно потому, что знали, в каких конкретных точках структуры они действуют. Было приятно сознавать, что мы причастны к выводу исследования рибосом на новый уровень, где можно ставить более нетривиальные вопросы.

Структуры похожи на статичные снимки конкретных состояний молекулы. Фильм о рибосоме представляет собой набор таких снимков, которые позволяют лишь предполагать, как рибосома переходит из одного состояния в другое, ничего не говоря о том, как быстро протекают такие переходы и есть ли между этими снимками какие-то промежуточные состояния, которые мы просто не смогли зафиксировать.

Применение физики отдельных молекул при работе с рибосомами стало потрясающим новым способом изучения этих переходов. Прикрепляя флуоресцентные молекулы к различным участкам рибосомы или тРНК, мы смогли методом флуоресцентного резонансного переноса энергии (FRET) измерить, насколько подсвеченные молекулы сместились относительно друг друга. Данный метод подходит также для элементов рибосомы, поэтому можно увидеть, как они движутся на определенных этапах.

Впервые применять его к отдельным рибосомам стал Джоди Пульизи, работавший в Стэнфорде вместе со Стивом Чу. Я знал Джоди по конференциям как удивительно симпатичного человека, напоминающего звезд старого итальянского кино 1920-30-х годов. Он отличался специфическим юмором и во время лекции мог сидеть где-нибудь на галерке, делая вид, что почти не слушает, а потом поднять руку и задать один вопрос, который сразу вскрывал самое слабое место в выкладках. Он исследовал фрагменты рибосомной РНК и мелкие белки, связывающиеся с рибосомой, но после того как структура рибосомы стала известна, быстро осознал, что специализацию нужно менять.