Тогда многие ученые сосредоточились на исследовании белков, но нашлись и такие, которых интересовала именно рибосомная РНК. Например Гарри Ноллер, которого я в шутку называл Мудрецом из Санта-Круса. Гарри носил длинную бороду, одевался обычно в джинсы и футболку и мог сойти по манерам за благодушного калифорнийского хиппи. Еще он увлекался мотоциклами и винтажными «феррари» (даже свои компьютеры он называл в честь итальянских гонщиков). Харизма и ирония Ноллера гарантировали ему обожание со стороны молодых ученых – так, на некоторых собраниях они стайкой окружали его, как фанаты рок-звезду. Но под всей этой мишурой он был серьезным и исключительно амбициозным человеком, напористо изучавшим рибосомы.
Уроженец Калифорнии, он получил высшее образование в Беркли, после чего отправился писать докторскую диссертацию по химии белков в Орегон. Затем стал постдоком в LMB. Там под руководством Иуана Харриса он занимался исследованием одного белка, участвующего в расщеплении глюкозы. В автобиографическом эссе он повествует, как его слегка испугала одна ситуация на вечеринке в некоем кембриджском колледже, когда к нему подошел Сидни Бреннер и поинтересовался, кто он такой и что здесь делает. Узнав, что Гарри работает над глицеральдегидфосфатдегидрогеназой, Бреннер заявил: «Это же ерунда! Если вы – биохимик по белкам, почему вы не занимаетесь чем-нибудь интересным, например рибосомами?» При этом сам Бреннер не считал рибосомы чем-то настолько важным, чтобы самостоятельно изучать их в LMB.
Поначалу Гарри был просто сокрушен такой уничижительной оценкой. Но ему хватило смелости признать правоту Бреннера и покинуть Кембридж, чтобы отправиться в Женеву и работать там с Альфредом Тиссьером. Там он ненадолго пересекся с Питером Муром, который совершал точно такой же европейский вояж, но в противоположном направлении: сначала попал в Женеву, а потом оказался в Кембридже. Питер сказал, что Гарри взяли на работу в Женеву благодаря опыту в работе с белками, чтобы он помог их очистить и охарактеризовать.
Когда Гарри вернулся в Калифорнию и взялся за руководство собственной лабораторией в Санта-Крусе, он поставил ключевой эксперимент, изменивший весь ход его жизни. Он и его студент Джонатан Чейрз продемонстрировали, что если изменить рибосомную РНК в малой субъединице при помощи вещества под названием кетоксал, то она перестанет связываться с тРНК. Это был первый признак, что рибосомная РНК на самом деле может выполнять некую важную функцию. Многие ученые расценили прорыв как просто любопытный факт, но Гарри довел это исследование до конца.
В начале 1980-х в науке произошло важное событие, спровоцированное двумя учеными: Томом Чеком из Колорадо и Сидни Олтменом из Йеля. Чек искал фермент, отвечающий за реакцию, при которой отрезок РНК может самостоятельно отделяться от более длинного фрагмента. Олтмен, в свою очередь, изучал свойства фермента, способного расщеплять определенные молекулы РНК. Сам этот фермент представлял собой комплекс из белка и РНК, и, к удивлению Олтмена, оказалось, что сама ДНК-составляющая могла выполнять реакцию расщепления. Итак, группы обоих ученых показали, что РНК как таковая может совершать химические реакции. Ферменты, состоящие из РНК, были названы рибозимами, чтобы отличать их от более распространенных белковых ферментов. Хотя реакции с их участием выглядят обособленно, они сыграли колоссальную роль в происхождении жизни.
Возникновение жизни – одна из великих тайн, которые еще хранит природа. Любая жизнь требует энергии и химически подходящей окружающей среды. Некоторые специалисты указывали, что жизнь с точки зрения химии напоминает реакцию около геотермальных источников на дне океана. Но фундаментально жизнь – это не просто набор химических реакций; это механизм хранения и воспроизводства генетической информации, развивающий сложные организмы из более примитивных. Вирус тоже относится к живым существам, хотя многие в этом сомневаются, поскольку для размножения ему необходима клетка-хозяин.
Практически у всех живых организмов генетическая информация передается через ДНК, но сама ДНК инертна и собирается при помощи множества белковых ферментов, для синтеза которых требуется участие не только РНК, но и рибосом.
Чек и Олтмен показали, что РНК способна выступать носителем информации в виде последовательности оснований (как и ДНК), а также обеспечивать химические реакции, как это делают белки. Сегодня известно, что элементарные составляющие РНК можно получить из самых простых химических веществ, которыми Земля богата уже миллиарды лет. Поэтому вполне возможно представить, как жизнь могла зародиться из множества разных молекул РНК, которые потом «научились» самовоспроизводиться. Как только это произошло, эволюция и естественный отбор открыли путь к синтезу более сложных молекул, в конце концов породив нечто столь сложное, как первые рибосомы. В этом состоит идея «мира РНК» – этот термин, предложенный Уолли Гилбертом, прижился и стал популярен.
Возможно, рибосомы зародились в мире РНК и синтезировали белки, которые лучше РНК справились с большинством реакций за счет аминокислот. Таким образом, белки не только взяли на себя большинство функций РНК, но и стали решать новые задачи. Это также объясняет, почему, при всем изобилии РНК в рибосоме, те ферменты, которые реплицируют ДНК или синтезируют РНК на ДНК в качестве матрицы, сейчас полностью состоят из белков. Вероятно, дело в том, что ДНК стала использоваться для хранения генов позже, когда белки в клетке уже преобладали и отвечали за большинство протекающих в ней реакций.
Но это не объясняет, как появились гены. Наиболее правдоподобная версия такова: первые примитивные рибосомы собирали лишь короткие пептидные участки, которые помогали оптимизировать окружавшие их ферменты РНК. Но появление генов, кодирующих инструкции для синтеза белков, позволяющих сшивать аминокислоты в строго определенном порядке, все равно остается необъяснимым прорывом. Поскольку тогда наряду с большой субъединицей должно было возникнуть и множество других элементов: мРНК для передачи генетического кода, тРНК для доставки аминокислот и малая субъединица, которая стала бы служить платформой для связки мРНК и тРНК. До открытия катализа РНК оставалось непонятным, как могла зародиться такая система.
Почему именно РНК, а не ДНК, могла выполнять реакции? Основное отличие между ними заключается в наличии атома кислорода в рибозе (входящей в состав каждого нуклеотида РНК), который позволяет образовывать гидроксильную группу (OH). Теперь нам известно, что OH-группы из различных участков РНК могут связываться друг с другом и таким образом формировать трехмерные структуры наподобие белковых ферментов, образуя «карманы», в которых протекают химические реакции.
После открытий Чека и Олтмена все осознали, что Крик, вероятно, был прав, предполагая, что первобытные рибосомы полностью состояли из РНК. Что же делают современные рибосомы?
Гарри стал искать химические модификации, не дававшие тРНК связываться с рибосомой. На тот момент никто еще даже не секвенировал рибосомную РНК. Вскоре после того как Гарри получил свои первые результаты, Фред Сэнгер из LMB научился секвенировать молекулы так, чтобы в точности определить порядок оснований в любом фрагменте ДНК, и за это получил вторую Нобелевскую премию (он – один из немногих, кто удостоен премии дважды). Тогда Гарри ненадолго вернулся в Кембридж, чтобы научиться секвенировать ДНК. Не пытаясь секвенировать РНК напрямую (эта задача и сегодня остается гораздо сложнее, чем аналогичная работа с ДНК), Гарри воспользовался методами Сэнгера, чтобы определить точную последовательность рибосомных РНК методом секвенирования их генов, расположенных в ДНК. Крупные участки рибосомной РНК из субъединиц 30S и 50S называются соответственно 16S и 23S РНК.
