Поиск рецепторов
После того как двадцать лет назад выяснилось, что клетки используют указания генов для создания адреналиновых рецепторов, начался поиск других рецепторов. Для этого создавали короткие искусственные участки гена и начинали «вылавливать» соответствующие им участки в геноме. Это удалось, потому что наши гены состоят из двух комплементарных цепочек, поэтому при делении клетки каждая получает одну, после чего выстраивает другую для полного соответствия. Вскоре стало понятно, что части сообщения адреналинового рецептора появляются в телеграфной ленте другого рецептора, словно рецепторы, которые чувствуют адреналин, сообщают клеткам, что надо быстро приступать к действиям. На самом деле, части телеграфной ленты адреналинового рецептора встречаются в самых разнообразных рецепторах, а также в более отдаленно связанных с ними веществах, типа белка родопсина, красного белка, который улавливает свет в сетчатке глаза. Понять родственность объектов можно, сравнивая тексты на кусках телеграфной ленты, которые и представляют собой рецепторы. Как элегантно выразился Мэтт Ридли, эволюция – это игра в испорченный телефон. Каждый раз, когда повторяется текст на телеграфной ленте, в перевод закрадываются ошибки. Как в испорченном телефоне, иногда сообщение от этого становится интереснее или, по крайней мере, более приемлемым для ситуации, в которой оказывается ген. В других случаях искаженные фразы оказываются не полезными, а бессмысленными или даже вредными, и животное умирает или не в состоянии продолжить род.
Сейчас стало легко читать эти генетические телеграфные ленты, и компьютерные программы в состоянии сравнивать их между собой, вычислять, насколько они близки, и восстанавливать, что было в самом начале испорченного телефона. Например, если у вас есть три текста стихотворения, два из которых отличаются на одно слово, а третье – на два, их можно попробовать выстроить в хронологической последовательности, если есть другие подсказки (например, одно находится в примитивном организме, а другое – в современном). Из одних сообщений на телеграфной ленте можно выстроить эволюционное генеалогическое дерево, что удобно, потому что в таком случае не надо мучительно пересчитывать ноги креветки или разглядывать клювы вьюрков – это сделает за вас компьютер. Но серьезная проблема в том, что сообщения на телеграфной ленте не скажут вам, как устраиваются фрагменты белков в отношении друг друга, когда белок уже создан и расщепился. Чтобы представить себе законченный продукт, его нужно измерить, а это не так-то просто; для этого нужно создавать кристаллы самого белка.
Видимость атомов
Кристаллография, вероятно, наименее интуитивная из всех дисциплин, составляющих биологию, и те, кто ей занимается, посвящены в едва ли не самое колдовское знание, востребованное в любой научной области. Это смесь священных эмпирических способов (потереть бороду над блюдцем для начала роста кристаллов – типичный трюк) и глубоких математических теорий. Мой дядя – известный кристаллограф, и грифельная доска в его аскетичном кабинете всегда испещрена тройными интегралами – необычное зрелище для науки о жизни. Если методы трудны для понимания, то результаты сенсационно ясны. Кристаллографы получают, попросту говоря, изображения белков, в которых можно разглядеть атомы.
Мы не можем просто посмотреть на белки в микроскоп, потому что световые волны просто слишком велики, чтобы разглядеть столь мелкие объекты. Представьте, к примеру, что вы смотрите на волны, набегающие на пляж. Трудно допустить, что в море какое-то небольшое надувное устройство может повлиять на их поведение, а вот большое судно способно произвести большой эффект на прибой. Точнее говоря, размер судна должен быть сопоставим с размером волн, чтобы на них подействовать. То же самое относится к свету, и поэтому в микроскоп невозможно увидеть предметы меньше минимальной длины волны видимого спектра, а это примерно 0,5 микрон.
Достаточно короткие длины волн относятся уже к области рентгеновского излучения, но, к сожалению, рентгеновские лучи беспрепятственно проходят сквозь предметы, поэтому они так полезны в медицине. Вот почему нужно использовать кристаллы. Основной принцип кристаллографии понять нетрудно: он называется «дифракция». Представьте себе световые волны, идущие на непрозрачный объект с двумя щелями. Каждая щель становится фокальной точкой для кольцеобразных волн, которые от нее распространяются.
Поскольку конкретная волна, идущая слева, попадает в две щели одновременно, выходящие из щелей волны будут синхронизированы. Посмотрите на узор, который образуют эти волны: если две вершины или две впадины совпадают, они удваиваются; если вершина совпадает с впадиной, они взаимоуничтожаются. И на выходе, так сказать, на пляже, вы видите равномерную структуру: где набегающая волна сменяется затишьем через каждые несколько метров.
Как перейти от этого к белкам? Во-первых, представьте, что эксперимент со щелями проходит в трехмерном, а не в двухмерном пространстве: волны ударяются в карточку, в которой равномерно просверлены отверстия, и вы фиксируете узор волн на карточке-мишени, параллельной первой и расположенной от нее на некотором расстоянии. Предположим, отверстия все одинакового размера и расположены в форме квадрата. В таком случае на мишени вы получите квадратный узор волн. Интересно то, что чем ближе расположены отверстия на первой карточке, тем больше будет узор на второй. Сближение отверстий эквивалентно отдалению карточки-мишени
[48]. А теперь представьте, что эти отверстия не круглые, а более сложной формы, например, в виде буквы G. В таком случае точки на мишени, так называемая «дифракционная картина», будет выглядеть иначе. Появятся другие, более слабые точки, потому что каждая часть буквы G отражает свет независимо и образует узор, соответствующий конкретной G и всем остальным G на карточке.
А теперь представьте, что каждое отверстие на оригинальной карточке заменяется не одной буквой, а целым абзацем текста. Можно сказать иначе: представьте, что оригинальная карточка состоит из множества копий текста абзаца, размером с почтовую марку, расположенных рядом друг с другом. Дифракционная картина в таком случае будет невероятно сложной: каждая буква, каждая часть каждой буквы будет вносить свой вклад в узор волн. Задача кристаллографа, вы не поверите, состоит в том, чтобы прочитать весь абзац текста, начиная с точек. Метод работает, только если вы в состоянии создать 3-D кристаллы белков. Надо медленно удалять воду; высохшие белки внезапно начинают образовывать замечательные большие кристаллы (один миллиметр – вполне достаточно, если кристалл аккуратный и правильной формы). Но белки, которые нас интересуют, а именно рецепторы, являются мембранными белками и не очень охотно образуют 3-D кристаллы, поскольку живут в плоской, почти 2-D среде – в мембране. Поэтому кристаллографам приходится иметь дело с плоскими кристаллами, а это нехорошо. Если продолжать сравнение с абзацем текста, это значит, что вы в состоянии прочитать только заглавные буквы, а все остальные придется угадывать.
