Глава 4
Первые кристаллы
В результате самоотверженных усилий Макса Перуца и Джона Кендрю удалось впервые увидеть, как тысячи атомов в молекуле белка сочетаются в филигранные структуры. Перуц и Кендрю даже смогли рассмотреть атомы железа, связывающиеся с кислородом в гемоглобине и миоглобине.
Кристаллы – это правильные трехмерные структуры, состоящие из идентичных молекул. Здесь бывает две крайности. Составить кристалл из одноатомных молекул – все равно что сделать правильную фигуру из бильярдных шариков. Это довольно просто. Но если молекулы неправильной формы и состоят из тысяч атомов, то одинаково соориентировать их для получения фигуры не так-то просто. Небольшой сдвиг – и регулярность будет нарушена. На самом деле проблема еще сложнее, поскольку структура крупных молекул (например белковых) не жестко фиксированная. В растворах их части могут смещаться относительно друг друга. Поэтому остается лишь удивляться, как белки вообще кристаллизуются. Даже сегодня никто не в силах спрогнозировать результат кристаллизации какого-либо белка. Учитывая всю неопределенность этого процесса, было совершенно непонятно, как получить кристаллы из такой структуры, как рибосома, где атомов не тысячи, а сотни тысяч.
Изначально мы не знали, должны ли рибосомы одинакового происхождения иметь одинаковую структуру или хотя бы состоять из одного и того же набора белков. Если нет, то формирование кристалла из них было бы маловероятно. Первые признаки того, что рибосомы могут иметь правильную структуру, появились спустя десять лет после их открытия, когда Брек Байерс решил проверить, что произойдет с клетками куриного эмбриона при охлаждении. Его интересовали совсем не рибосомы, а длинные внутриклеточные волокна, так называемые микротрубочки, участвующие во множестве процессов, например в делении клеток. Занимаясь этими исследованиями в 1966 году, он заметил, что рибосомы в охлажденных клетках складываются в листы правильной формы. Толщина одного листа составляла одну рибосому, то есть это были двумерные кристаллы, а не трехмерные. Макс Перуц пригласил Байерса в LMB, чтобы поработать над его двумерными кристаллами. Байерс побывал там дважды – в 1960-х и 1970-х, но интересных результатов не получил.
Тем временем молодые ученые из LBM, Найджел Анвин и Ричард Хендерсон, разработали иной способ выяснить структуру биомолекулы. Анвин был долговязым парнем с прической «битловский горшок», а коренастый Хендерсон в шортах и сандалиях выглядел как подросток. Оба были энергичны и всерьез настроены оставить след в науке. Они работали над выяснением структуры белка бактериородопсина, расположенного в мембране галобактерий и позволяющего извлекать энергию из света. На тот момент не существовало надежного способа получать трехмерные кристаллы из мембранных белков: они расположены в жировой оболочке липидных мембран, окутывающих клетки, и, следовательно, нерастворимы в воде. Анвин и Хендерсон решили рассмотреть плоские кристаллы через электронный микроскоп.
Длина волны у электронов меньше, чем у рентгеновских лучей. С помощью электронов уже было открыто атомное строение различных веществ, в частности металлов и минералов. Но для рассмотрения биомолекул с их низкой контрастностью, которая при рассеивании частиц не позволяет четко видеть структуру на фоне окружающей воды и липидных мембран, требовалось заведомо разрушительное количество электронов. Тогда Анвин и Хендерсон разработали новый метод определения структуры молекул плоского кристалла, применяя электронный микроскоп с малыми дозами электронов.
В 1972 году Анвину попалась статья о том, что рибосомы ооцитов (клеток, из которых развиваются яйца) одного вида ящериц складываются в правильные плоские решетки вроде тех, что наблюдал Байерс. Анвин написал автору этой статьи Карлосу Таддеи, заинтересовавшись этими кристаллами, но ответа не получил даже после неоднократных попыток. Затем, набравшись не иначе как суровой решимости, он проделал на поезде путь от Кембриджа до Неаполя, добрался до лаборатории Таддеи и постучал ему в дверь. В конце концов Таддеи на некоторое время прибыл в LBM, чтобы поработать с Анвином. Вдобавок к своему странному нежеланию отвечать на письма, Таддеи и в других отношениях проявил себя эксцентричным и асоциальным. Он запомнился в LBM тем, что любил подымить трубкой у себя в лаборатории, из-за чего то и дело срабатывала пожарная сигнализация.
Анвин посвятил изучению этих кристаллов пару лет, и, хотя кое-какие данные ему удалось добыть, стало понятно, что кристаллы из ящеричьих ооцитов недостаточно хороши для определения детальной атомной структуры. Поэтому Анвин в конце концов забросил эту задачу и переключился на другие исследования. Они с Хендерсоном выполнили основополагающие работы по строению мембранных белков. Ящерицы Анвина, которых тот держал на цокольном этаже, разбежались и размножились, и даже годы спустя их можно было повстречать неподалеку от здания.
Однако эти тупиковые находки все равно были очень важны, потому что позволили доказать осуществимость кристаллизации рибосом и наличие в них определенной структуры. Оставался вопрос: могут ли рибосомы сложиться в трехмерный кристалл? К середине 1970-х удалось кристаллизовать многие белковые молекулы крупнее гемоглобина, в том числе большие белковые агрегаты и целые вирусы. Хотя рибосомные субъединицы вдесятеро крупнее самой большой кристаллизованной молекулы, было вполне небезосновательно попытаться «уговорить» их сформироваться таким же образом.
Одним из тех, кто думал именно так, был Хайнц-Гюнтер Виттманн. Вместе с женой Бригиттой Виттманн-Либольд он исследовал генетический код на материале вируса табачной мозаики, гены которого хранятся в единственной молекуле РНК, а не ДНК. В 1966 году Виттманн стал директором нового Института молекулярной генетики имени Макса Планка в Берлине. При указании адреса на бумагах из отдела, которым он руководил, обычно ставилась его фамилия (в настоящее время руководители отделов из Института Макса Планка редко присваивают отделу собственную фамилию, предпочитая указывать область исследований).
Не боясь увольнения, Виттманн мог запускать долгосрочные проекты. С немецкой педантичностью он организовал свой отдел под изучение всех возможных аспектов рибосом. Некоторые из поставленных задач на тот момент были важны, но умопомрачительно трудозатратны – например, очистка рибосомных белков и тщательное секвенирование каждого из них. Метод секвенирования ДНК, изобретенный Фредериком Сенгером в 1977 году, существенно ускорил процесс, направив его на ген белка, а не на весь белок. Но Виттманн был достаточно умен, чтобы понимать: суть работы рибосом именно в их структуре.
Через пару лет после того как Виттманн взялся за руководство отделом, в мире кристаллографии появился интересный персонаж, тоже немец – Хаско Парадис. Педиатр по образованию, он взялся за работу над кристаллизацией молекул. Казалось, не найдется такой молекулы, которая ему неподвластна. Он первым получил кристаллическую тРНК, а также множество крупных белковых комплексов. Единственная проблема заключалась в том, что тщательной проверки его работа не выдержала. Когда Дэвид Блоу, один из основоположников кристаллографии ферментов, рассмотрел рентгеновские дифракционные снимки так называемых кристаллов РНК, показанных Парадисом на лекции в лондонском Кингс-Колледже, он сразу распознал, что на самом деле это молекула химотрипсина – белка, который он сам кристаллизовал уже много лет назад. После конфликта Парадису пришлось покинуть Кингс-Колледж.
