Они создавали молекулярную биологию

В 1950-х годах началось бурное развитие новой отрасли знания – молекулярной биологии. Ее создатели в большинстве своем были относительно молодыми людьми, от 30 до 40 лет. Некоторым из этих молодых людей в 2020 году исполнилось бы 100 лет. Но до столь преклонного возраста дожил только один из них. Наверное, они заслуживают того, чтобы вспомнить о них в их юбилейный год. Здесь мы не будем говорить лишь об одном юбиляре – Питере Митчелле (1920—1992), создателе хемиоосмотической теории синтеза АТФ. Ему будет посвящена отдельная статья в одном из последующих выпусков «Химии и жизни».

Розалинд Франклин

В 1962 году Джеймс Уотсон (р. 1928), Фрэнсис Крик (1916–2004) и Морис Уилкинс (1916–2004) получили Нобелевскую премию за главное открытие в биологии XX века — модель двойной спирали ДНК. В этом списке явно не хватало одной фамилии, однако Нобелевская премия посмертно не присуждается. Таковы правила.

Розалинд Франклин (1920–1958) родилась в Лондоне, в очень богатой еврейской семье. Ее отец был банкиром, дядя — крупным политиком, занимавшим министерские посты. Еще в детстве она была «пугающе умной», по выражению одной из родственниц, и всегда блестяще училась. В 1941 году она окончила колледж в Кембриджском университете, но заслуженной ученой степени не получила, поскольку была женщиной. К дамам, желающим заниматься наукой, в Великобритании в те годы относились с плохо скрываемым удивлением, степени бакалавра и магистра особам женского пола начали присваивать только в 1947 году.

В годы войны Розалинд Франклин исследовала микроструктуру угля и графита, по этой теме подготовила диссертацию и в 1945 году защитила ее, а после этого занялась рентгеноструктурным анализом — методом исследования структуры вещества, использующим дифракцию рентгеновских лучей на трехмерной кристаллической решетке. 

Некоторое время Розалинд работала во Франции, но затем вернулась на родину и начала изучать структуру ДНК в Лондонском королевском колледже. Заняться рентгеноструктурным анализом ДНК ей предложил Джон Рэндалл (1905—1984), руководитель отделения биофизики, где она работала. Этой же тематикой занимался и другой сотрудник колледжа, Морис Уилкинс. Между Уилкинсом и Франклин сложились напряженные отношения, в значительной степени по вине Розалинд, которая далеко не всегда была тактична в общении с людьми. Судя по всему, Розалинд Франклин, которую М.Уилкинс называл «темная леди», своим характером напоминала Гадюку из одноименной повести Алексея Николаевича Толстого. «Если бы она обращала хоть чуточку внимания на свои туалеты, то могла бы стать очень привлекательной», — писал о Розалинд Джеймс Уотсон в «Двойной спирали». Совершенно то же самое писал про свою героиню и А.Н.Толстой. 

В 1951 году Розалинд Франклин вместе со своим аспирантом Раймондом Гослингом (1926–2015) выяснила, что ДНК может образовывать два типа структур, которые получили название А и В. При высушивании ДНК переходила из структуры В в структуру А, становясь короче и толще. Структура В явно была спиральной, а по поводу структуры А были серьезные сомнения.

В мае 1952 года Розалинд Франклин получила свою историческую «фотографию № 51» — результат сточасовой экспозиции волокон B-формы ДНК, на рентгеновском дифрактометре (ориентированные в одном направлении волокна мало чем отличаются от кристаллов). Анализ «фотографии № 51» позволил Франклин сделать вывод, что спираль ДНК состоит из двух нитей, в которой фосфатные группы располагаются снаружи, а азотистые основания – внутри спирали. Она также определила параметры спирали и показала, что ее нити не зеркально симметричны. 

Двадцать восьмого февраля 1953 года Джеймс Уотсон, осмыслив совокупность этих фактов, понял, как устроена ДНК. Предложенный им и Криком принцип комплементарности оснований (А-Т, Г-Ц) стал последней недостающей деталью.

Двадцать пятого апреля 1953 года вышел номер журнала «Nature» со статьей Дж.Уотсона и Ф.Крика. Прочитав эту статью (еще до выхода журнала в свет), М.Уилкинс отправил Фрэнсису Крику письмо, начинавшееся словами: «Думаю, что вы оба – мошенники, но в вас что-то есть».

В дальнейшем Розалинд Франклин занималась рентгеноструктурным анализом вирусов. Она умерла от рака 16 апреля 1958 года в возрасте всего 37 лет. Одни биографы считают этот рак наследственным (от онкологических заболеваний умирали и другие члены ее семьи), другие предполагают, что причиной могло быть рентгеновское излучение. Если бы Розалинд Франклин дожила до 1962 года, то она наверняка разделила бы Нобелевскую премию с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.

Среди посмертных почестей этой выдающейся женщине, возможно, самая оригинальная — названный ее именем марсоход «Розалинд Франклин» миссии «Экзомарс-2020» Европейского космического агентства (ЕКА) и Госкорпорации «Роскосмос». Запуск космического корабля с марсоходом планировался на июнь 2020 года.

Пол Доти

Пол Доти (1920—2011) по образованию и характеру работы был химиком, в молодости участвовал в Манхэттенском проекте (создание атомной бомбы в США), затем работал в Гарвардском университете, куда в 1956 году переманил и Джеймса Уотсона.

В 1958 году Полу Доти удалось с помощью нагревания разделить две цепи молекулы ДНК, а затем он вместе со своим сотрудником Джулиусом Мармуром (1926–1996) осуществил обратную операцию, восстановив исходную двухцепочечную структуру из разделенных цепей. В результате этих работ появился метод молекулярной гибридизации, позволяющий сравнивать ДНК из организмов, принадлежащих к разным видам. Чем ближе друг к другу виды, тем больше в их ДНК комплементарных пар нуклеотидов, тем легче их цепи ДНК соединяются друг с другом и тем сильнее их нужно нагреть, чтобы снова разделить. Некоторые модификации этого метода дожили до наших дней.

В 1961 году Пол Доти и Александр Рич (1924–2015) осуществили гибридизацию искусственной цепи ДНК, содержащей только аденин, с искусственной цепью РНК, содержащей только урацил, а в 1962 году Сол Спигельман (1914–1983) предложил метод гибридизации естественных одноцепочечных ДНК с РНК. Собственно, гибридизация комплементарных цепочек нуклеиновых кислот так или иначе фигурирует в любом современном методе работы с ДНК.

Как многие бывшие участники Манхэттенского проекта, Пол Доти активно участвовал в антивоенном движении. Он внес большой вклад в развитие советско-американских научных связей. В 1990-х годах Доти был членом правления Фонда Джорджа Сороса, финансово поддерживавшего российскую науку.

Роберт Синсхеймер

Роберт Синсхеймер (1920—2017) родился в Вашингтоне. В 16 лет поступил учиться в знаменитый Массачусетский технологический институт. Вначале он специализировался в области чистой химии, но затем заинтересовался биологией.

В 1959 году Синсхеймер получил сенсационный результат — показал, что ДНК фага фи-икс-174 не подчиняется правилу Чаргаффа. Число остатков аденина не равно числу остатков тимина, а число остатков гуанина – числу остатков цитозина. Это означало, что ДНК этого фага одноцепочечна.

Одноцепочечность ДНК этого фага позволила решить важную проблему молекулярной биологии. ДНК состоит из двух цепей, а молекулы РНК одноцепочечны. Синтезируются ли молекулы РНК на обеих цепях ДНК или только на одной? 

При заражении бактерий фагом фи-икс-174 начинает синтезироваться новая ДНК с последовательностью нуклеотидов, определяемой такой последовательностью в ДНК фага. Против аденина встает тимин, против гуанина – цитозин, против тимина – аденин, против цитозина – гуанин. Начинает синтезироваться и РНК. С какой ДНК молекулы этой РНК могут образовать прочный двуцепочечный комплекс? С ДНК фага? С ДНК, образовавшейся в клетке? А может быть, и с той, и с другой?

В экспериментах Синсхеймера РНК фага не образовывала двухцепочечный комплекс с фаговой ДНК, но зато образовывала комплекс с той ДНК, которая появилась после заражения фагом бактериальных клеток. Отсюда был сделан вывод о том, что РНК синтезируется только на одной цепи ДНК (не на той, которая в фаге).   

Роберт Синсхеймер был не только крупным исследователем, но и выдающимся организатором науки. Возглавив Университет в городе Санта-Крус, он превратил его в первоклассное научное учреждение. В 1985 году он организовал в этом университете симпозиум, на котором рассказал о своей идее расшифровки полной последовательности нуклеотидов в ДНК человека. В дальнейшем из этой идеи вырос мощный международный проект «Геном человека».

Франсуа Жакоб

Франсуа Жакоб (1920—2013) в молодости участвовал во Второй мировой войне на стороне «Свободной Франции» (антифашистское движение, возглавляемое Шарлем де Голлем) в качестве офицера, за боевые заслуги был награжден орденом Почетного легиона. В юности Жакоб мечтал стать хирургом, но тяжелое ранение поставило крест на этой мечте. Он занялся микробиологией.

В начале 1950-х годов Ф.Жакоб совместно с Эли Вольманом (1917—2008) генетическими методами показали, что хромосомы бактерий имеют не линейное, а кольцевое строение. 

Свои главные работы, в немалой степени изменившие облик молекулярной биологии, Ф.Жакоб выполнил вместе с Жаком Моно (1910—1976) и опубликовал в 1961 году. В 1965 году за эти работы Жакобу и Моно была присуждена Нобелевская премия.

Современные представления о том, что ДНК служит матрицей для синтеза информационной РНК, а информационная РНК — матрицей для синтеза белка, сформировались далеко не сразу. 

Уже в 1940-х годах исследователи выяснили, что активный синтез белков идет не там, где много ДНК, а там, где много РНК. На этом основании была высказана мысль о том, что РНК — это посредник, связывающий ДНК с синтезом белка. 

Но большая часть РНК в клетке — это рибосомная РНК. А ее нуклеотидный состав не такой, как у ДНК. И он схож у далеких друг от друга видов, в то время как нуклеотидный состав ДНК сильно различается. Поэтому рибосомная РНК — плохой кандидат на роль матрицы для синтеза белков.

В 1955 году Эллиот Волкин (1919—2011) и Лазарус Астрахан (1925—2003) выяснили, что при заражении бактерии фагом начинает синтезироваться новая РНК, нуклеотидный состав которой был таким же, как состав фаговой ДНК. Этой РНК мало, и она быстро распадается. В 1958 году Андрей Николаевич Белозерский (1905—1972) и Александр Сергеевич Спирин (р. 1931), исследовав большое число разных видов живых организмов, установили, что существует слабая линейная корреляция между нуклеотидным составом ДНК соответствующего вида и ее суммарной РНК. Они объяснили это тем, что в клетках имеется небольшое количество какой-то РНК, нуклеотидный состав которой соответствуют нуклеотидному составу ДНК. Напрашивалась мысль о том, что именно эта РНК, которой мало, и служит матрицей для синтеза белков. Но все это были косвенные доказательства. 

Для прямого доказательства следовало отделить короткоживущую РНК, описанную Волкином и Астраханом, от общей массы РНК и проверить, кодирует ли она белки. И какие — белки бактерии или белки бактериофага? Это сделали в 1961 году Сидней Бреннер (1927—2019), Франсуа Жакоб и Мэтью Мезельсон (р. 1930) и, независимо, еще одна группа исследователей. Как и ожидалось, эта РНК кодировала белки бактериофага, работая на рибосомах, сформировавшихся в бактерии еще до ее заражения. После чего появился термин «информационная» РНК, и представления о ее роли в биосинтезе белка окончательно утвердились в науке. 

В том же 1961 году Франсуа Жакоб и Жак Моно выполнили очень красивую работу, объяснившую, как в бактериальных клетках включается (и выключается) синтез ферментов при появлении в среде нового пищевого субстрата. 

Бактерия Escherichia coli, которую исследовали Жакоб и Моно, хорошо росла на среде, содержащей глюкозу, но могла и расти на среде, содержащей сахар лактозу. В последнем случае бактерия начинала синтезировать несколько новых ферментом, в частности фермент, обеспечивающий распад лактозы на глюкозу и галактозу, и фермент, превращающий галактозу в легко утилизируемую глюкозу. 

Жакоб и Моно получили большое число мутантов, вызывающих нарушение этой картины. Были исследованы линии бактерий, несущие разные мутации, а также их рекомбинанты, в которых объединялись две и более мутации.

Мутации, которые исследовали Жакоб и Моно, были сконцентрированы в четырех зонах, три из которых располагались в кольцевой ДНК бактерии рядом друг с другом, а четвертая — на значительном расстоянии. Результаты исследований показали, что в четвертой зоне находится ген, определяющий образование какого-то растворимого продукта (по-видимому, белка). Этот продукт связывается с геном, расположенным в третьей зоне, и выключает работу генов, расположенных в зонах 1 и 2. Появление в среде лактозы лишает растворимый продукт способности связываться с геном из третьей зоны и начинается синтез ферментов, утилизирующих лактозу. 

К сожалению, ограниченный объем статьи не дает возможности подробно описать эту очень красивую работу, за которую авторы в 1965 году получили Нобелевскую премию.

Ф.Жакоб и Ж.Моно выявили ряд очень важных вещей. Они показали, что в ДНК существуют участки, которые сами по себе не кодируют белки, но участвуют в управлении активностью кодирующих участков. Исследователи добыли хотя и не однозначные, но веские свидетельства в пользу того, что на одной молекуле информационной РНК может быть закодировано несколько белков. Они также ввели в генетику новые понятия: ген-оператор (ген, управляющий активностью рядом расположенных генов (ген из зоны 3), оперон (совокупность рядом расположенных генов, активность которых управляется одним оператором (гены из зоны 1 и 2 )), ген-регулятор (ген, регулирующий растворимый продукт, управляющий активностью далеко расположенных генов).  

Руфус Ламри и Дэниэл Кошланд

Два других юбиляра — американские исследователи Руфус Ламри (1920—2013) и Дэниэл Кошланд (1920—2007) — внесли выдающийся вклад в изучение белков вообще и ферментативного катализа в частности. 

Руфус Ламри, по образованию химик, с 1948 года работал под руководством выдающегося физико-химика Генри Эйринга (1901—1981), а затем перешел на работу в Университет штата Миннесота. 

Дэниэл Кошланд (1920—2007) родился в очень богатой семье. Его отец был президентом фирмы «Леви Страусс». Джинсы, производимые этой фирмой, пользовались, как известно, большой популярностью. Д.Кошланд тоже получил химическое образование, в молодости участвовал в Манхэттенском проекте, занимаясь выделением плутония. А затем занялся исследованиями в области биохимии, в частности исследованиями ферментативного катализа.

Давайте попробуем обрисовать круг проблем, которыми занимались Р.Ламри и Д.Кошланд. Часто говорят, что химия живых организмов очень сложна. Однако это не так. Обычная органическая химия гораздо сложнее. Если хорошо нагреть какое-либо органическое вещество, то оно может вступить в десятки самых разных реакций. Но в живых организмах оно реально вступает всего в одну-две строго определенные реакции. В такие, для которых существуют специализированные катализаторы — ферменты. В живых организмах все потенциально возможные химические реакции подразделяются на разрешенные (для которых есть фермент) и запрещенные (для которых фермента нет). Разрешенных реакций значительно меньше.

Ферменты — это специфические катализаторы, каждый из которых ускоряет, как правило, одну и только одну химическую реакцию. Основу всех ферментов составляет одна или несколько цепей из разных аминокислот, соединенных в строго определенной последовательности. Иногда, но не всегда, в состав фермента входит и небелковая часть. 

В 1890 году классик биохимии Эмиль Фишер (1852—1919) сформулировал гипотезу: специфичность ферментативного катализа связана с тем, что превращаемое вещество встраивается в какую-то щель в ферменте, форма которой точно соответствует форме субстрата. Эта идея получила название «модель ключ – замок». Несколько позже, в 1902 году, химик А. Браун и физик Виктор Алексеевич Анри (1872—1940) независимо друг от друга предположили, что фермент образует с превращаемым веществом относительно стойкий фермент-субстратный комплекс, который сохраняется до завершения химического превращения молекулы субстрата. 

(В большинстве источников В.А. Анри называют французом, что неверно. Он — наш соотечественник, принадлежал к роду Ляпуновых. Этот род внес выдающийся вклад в отечественную историю и культуру. Сводным братом В.А. Анри был знаменитый русский кораблестроитель Алексей Николаевич Крылов (1863—1945). После революции 1917 года В.А. Анри работал в России и СССР, но в 1926 году уехал во Францию, где и умер.) 

И концепция Фишера, и концепция Брауна — Анри неявно содержали предположения, намного опередившие свое время. Концепция «ключ – замок» предполагала, что молекула фермента обладает строго определенной и жесткой пространственной структурой, концепция фермент-субстратного комплекса неявно предполагала, что в ходе каталитического акта эта пространственная структура может меняться.

Уязвимая сторона модели «ключ-замок» заключалась в неясности по поводу того, какие же силы заставляют вставленный в замок ключ химически изменяться. Ведь если ключ плотно вошел в замок, то с чего ему меняться. Какая сила повернет ключ? Такая система будет очень устойчивой. 

В 1954 году для разрешения этого противоречия Руфус Ламри предложил концепцию «дыба». Она предполагала, что после связывания фермент растягивает субстрат так же, как палач времен Ивана Грозного растягивает на дыбе злодея. И благодаря деформированности субстрат становится химически активным. Но это означает, что в нерастянутом состоянии ключ не очень хорошо подходит к замку. И что замок очень жесткий, в то время как ключ очень гибкий. С точки зрения химии последнее утверждение выглядело сомнительным.

В 1959 году Даниэл Кошланд предложил другой, более остроумный вариант этой идеи. Он предположил, что не замок растягивает ключ, а ключ растягивает замок. Ключ жесткий, а замок гибкий. В нерастянутом состоянии полость в ферменте вовсе не похожа на субстрат реакции. Их пространственное соответствие формируется лишь в момент связывания. Кошланд сравнивал субстрат с ладонью и пальцами, а фермент — с надеваемой перчаткой. Перчатка принимает форму ладони и пальцев только тогда, когда ее наденут. 

Эта модель выглядела более разумной, чем модель дыбы. Ибо огромная молекула фермента обладает очень большим числом степеней свободы. Хотя при этом и возникает вопрос о том, как энергия деформации, распределенная по большой молекуле белка, концентрируется на нужной связи в субстрате. 

В дальнейшем гипотеза Д.Кошланда была подтверждена методами рентгеноструктурного анализа.

Идея, выдвинутая Д.Кошландом, позволила осознать многие проблемы, которые ранее оставались в тени. Из нее следовало, что ферментативный катализ сопровождается крупными перестройками пространственной структуры молекулы фермента в целом, а не только его активного центра. И что полипептидные цепи фермента — не пассивные структуры, используемые лишь для правильного пространственного размещения разных частей активного центра, но и активные действующие лица.

Из этих идей выросла концепция «белок-машина», разработанная отечественными исследователями Юрием Исааковичем Хургиным, Дмитрием Сергеевичем Чернавским (1926—2016) и Симоном Эльевичем Шнолем (р. 1930).

В течение десяти лет Д.Кошланд возглавлял редакцию журнала «Science». В годы его руководства журнал проявлял терпимость к неортодоксальным идеям, что придавало ему дополнительный блеск.   

Фирма «Леви Страусс» приносила большой доход, поэтому Д.Кошланд не нуждался в деньгах и делал щедрые благотворительные пожертвования. На его средства был построен научный центр в Хаверфордском колледже в Пенсильвании. Большие деньги он пожертвовал и Музею науки в городе Вашингтоне. 

Руфус Ламри выполнил очень серьезные исследования по физике белка. Его считали и считают самым крупным в мире специалистом в этой области. 

Судя по воспоминаниям коллег, Руфус Ламри сильно напоминал славного короля Анри Четвертого из известной песни, прозвучавшей в известном фильме «Гусарская баллада». Он был очень веселым, жизнерадостным человеком, до старости лет любил яркую одежду, хорошую компанию, стол с большим количеством возвышающих душу напитков. Наверное, такой характер и позволил ему активно работать в науке до глубокой старости, поражая своей активностью более молодых исследователей.

Эдмонд Фишер

В апреле этого года ныне здравствующему Эдмонду Фишеру исполнится 100 лет. Э.Фишер родился в Шанхае и провел первые годы своей жизни в Китае. Затем родители увезли его в Швейцарию, а с 1951 года Фишер начал работать в Университете Сиэтла на крайнем северо-западе США в штате Вашингтон.

Э.Фишер вместе со своим коллегой Эдвином Кребсом (1918—2009) изучали мышечный фермент гликогенфосфорилазу, запускающий распад гликогена для извлечения энергии. Они выяснили, что этот фермент может включаться и выключаться. Включенный фермент активен, выключенный — нет. Фермент включается, когда к нему ковалентно присоединяется фосфатная группа, и выключается, когда эта группа отсоединяется. Присоединение фосфатной группы к гликогенфосфорилазе катализировалось специфическим ферментом из группы протеинкиназ, а отщепление — специфическим ферментом из группы фосфатаз.

Фишер и Кребс установили также, что такие гормоны, как адреналин, вызывают усиленное фосфорилирование гликогенфосфорилазы.  

Сходные результаты на экстрактах из печени получил в те же годы другой американский исследователь Эрл Сазерленд (1915—1974). Но он пошел дальше, выявив еще одно важное действующее лицо — циклический аденозинмонофосфат. Но подробное рассмотрение его работ выходит за рамки настоящей статьи.  

Работы Э.Фишера, Э.Кребса и Э.Сазерленда были отмечены Нобелевскими премиями (Э.Сазерленд в 1971 году, Э.Фишер и Э.Кребс в 1992-м).

Как видите, 1920-й год оказался очень щедрым на рождение выдающихся молекулярных биологов. Интересно, что большинство из них жили очень долго и перешагнули девяностолетний рубеж. Это позволяет думать, что занятия наукой полезны для здоровья и способствуют долголетию.