Моя первейшая задача заключалась в том, чтобы добавить новые кадры в фильм о рибосоме. Оставшиеся состояния было гораздо сложнее зафиксировать, а тем более – качественно кристаллизировать рибосому в таких состояниях. Хотя время от времени наша лаборатория делала успехи, я понимал, что будет все сложнее убеждать талантливых молодых людей браться за работу над недостающими кадрами рибосомы. Хотя наш фильм постепенно становился все более полным, не было никаких гарантий, что нам удастся завершить его даже спустя годы.
Чего я не мог ожидать, так это того, что впервые примерно за пятьдесят лет с тех пор, как Макс Перуц и Джон Кендрю смогли рассмотреть белок, у нас появится новый метод визуализации крупных биологических молекул с детализацией на уровне атомов, без необходимости их кристаллизировать. Когда Иоахим Франк показал свои карты рибосомы на той судьбоносной конференции в Виктории в 1995 году, все мы были впечатлены; но мы и не думали, что электронная микроскопия когда-нибудь даст нам такой уровень детализации, который позволит вывести атомную структуру рибосомы. Мы отвергали такую возможность как «пузырькологию» – на первый взгляд она производила впечатление, но не более того. Поэтому неудивительно, что спустя всего несколько лет структуру рибосомы удалось приоткрыть при помощи кристаллографии.
В тот самый год, когда состоялась конференция в Виктории, Ричард Хендерсон – человек, благодаря которому я получил работу в LMB, – опубликовал весьма примечательные результаты. У электрона подходящая длина волны, поэтому физики и металлурги десятилетиями определяли атомные структуры при помощи электронного микроскопа. Однако электронный микроскоп не позволяет получить в хорошем разрешении структуру биомолекул, так как они не дают достаточной контрастности. Ричард подсчитал, что, если усовершенствовать как микроскоп, так и детектор, то этим методом можно было бы получить атомную структуру – вообще без кристаллов.
В 1995 году этот момент был еще далеко, но с годами сначала улучшились микроскопы, а потом несколько групп разработали новые детекторы, работавшие быстрее традиционных и обладавшие большей чувствительностью, чем пленочные. Один из таких новых детекторов был разработан Ричардом и его группой и установлен на микроскопе в LMB в 2011 году. Несколько специалистов, в том числе мой коллега Сьорс Шерес, разработали компьютерную программу, позволяющую использовать данные от этих детекторов.
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.
К тому моменту они со Стивом Чу уже начали работать над применением физики отдельных молекул в исследованиях рибосомы. Я узнал об их исследованиях, находясь в Стэнфорде в 2000 году – сразу после того, как мы расшифровали структуру 30S. Когда едешь в американский университет читать лекцию, это всегда напоминает собеседование. По прибытии тебе выдают расписание со списком сотрудников, с которыми ты должен встретиться, прежде чем сможешь выступить. Интересно говорить с людьми, работающими в разных дисциплинах, узнавать об их работе, но, когда вы испытываете джетлаг после длительного путешествия, день может стать изнурительным. Я не знал Стива Чу и не подозревал о его интересе к биологии, поэтому удивился, что у меня в расписании – известный физик. Быстро навел о нем справки и узнал, что он выполнил некоторую работу по фолдингу РНК. Когда Скотт Бланшар, ныне ведущий практикующий специалист по данному методу, а тогда – аспирант Джоди, проводил меня к нему в кабинет, Стив явно уже забыл, что нам назначена встреча. Он поприветствовал меня растерянным взглядом, усадил и спросил, о чем я хотел бы поговорить. Я подумал, что это немного странно, но сказал, что о фолдинге. Он сделал паузу и сказал: «Давайте начистоту. Вы – постдок, приехали сюда на собеседование к Дэну Хершлагу, так?» Его коллега Дэн был специалистом по физической химии и работал над РНК. Я даже не знал, то ли мне воодушевиться, что я до сих пор так молодо выгляжу, то ли обидеться, что он не только не слышал о нашей структуре 30S, но и вообще меня не знал! Это был один из редких случаев, когда меня резко спускали с небес на землю.
