Увидеть каждый атом: за что дали Нобелевку по химии

Уже не первый год Нобелевскую премию по химии присуждают за биологические открытия. И на этот раз Ричард Хендерсон, Иоахим Франк и Жак Дубоше были номинированы на Нобелевку за "развитие криоэлектронной микроскопии высокого разрешения для определения структуры биомолекул в растворе". Неужели в науке о превращениях веществ за последние десятилетия не случилось ничего прорывного? А если случилось, то почему с химиками обходятся так несправедливо?

На самом деле несправедливости тут нет. Современная наука мультидисциплинарна. Каждый уважающий себя исследователь подходит к интересующей его проблеме с самых разных сторон, используя солидный набор методов для её изучения. Теперь уже недостаточно провести какую-нибудь одну химическую реакцию или вывести линию мух с определённым геном. Статью об исследовании, в котором использованы один-два метода, приличный научный журнал не примет. Необходимо использовать и физические, и химические, и биологические подходы к одному и тому же вопросу. В конце концов, всё живое состоит из молекул, традиционных объектов изучения химии, а эти молекулы и их группы подчиняются физическим законам.

К тому же наука о жизни давно уже ушла от препарирования лягушек и наблюдения за цветением растений. Многие современные биологи в ходе работы ни разу не сталкиваются с живыми объектами. Огромные силы брошены на фронт биоинформатики — анализа последовательностей нуклеотидов ДНК и аминокислот в белках с использованием компьютерных алгоритмов. Классической биологии в этом, прямо скажем, нет. Для биоинформатических изысканий не нужны ни пробирки, ни микроскопы, ни другие предметы, на фоне которых журналисты и телевизионщики обычно снимают учёных.

Но есть и те, кто стоит к живому чуть ближе. Они работают не с целыми организмами и даже не с конкретными органами, а с отдельными биологическими молекулами. Кстати, эти молекулы не такие уж и мелкие. Как правило, они состоят из сотен тысяч атомов — особенно если говорить о белках и нуклеиновых кислотах. Способов соединить эти атомы великое множество, а ведь от них зависят форма и поведение молекулы. Ферменты — биологические катализаторы — потому и помогают проводить биохимические реакции, что способны менять форму своих молекул.

Конечно, молекулы белков и нуклеиновых кислот крупнее, чем какой-нибудь глюкозы. Но всё же они недостаточно большие, чтобы их было видно в обычный, световой микроскоп. Его разрешение ограничено длиной световой волны, падающей на исследуемый объект. Как правило, она составляет не более 250 нанометров. Соответственно, все объекты размером меньше 250 нанометров в световой микроскоп видны не будут.

Обойти эту проблему в 1930-х годах позволили электронные микроскопы. В них на исследуемый объект не светит солнце или лампочка — на него обрушивается поток электронов. В остальном принцип работы электронного микроскопа похож на принцип самого простого светового микроскопа, но длина волны электронов существенно короче длины волны видимого света. Поэтому теоретическое разрешение электронной микроскопии в теории позволяет различать чуть ли не отдельные атомы.

Есть способы увидеть структуру молекул и без использования электронного микроскопа. Это рентгеноструктурный анализ и спектроскопия ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Но ЯМР-спектроскопия, к сожалению, подходит только для сравнительно небольших белков, а более крупные, в сотни тысяч аминокислот длиной, она "не берёт". Рентгеноструктурный анализ требует, чтобы молекулы находились в форме кристаллов. С этим есть трудности, так как далеко не все белки просто кристаллизовать. Ко всему прочему, когда биомолекулы находятся в кристаллической форме и/или в вакууме, как это часто бывает при электронной микроскопии, их свойства могут заметно отличаться от тех, что проявляются в натуральных условиях. А "натуральные условия" в данном случае — это водный раствор, потому что живые организмы по большей части состоят из воды.

С водой в электронном микроскопе проблемы. Её не должно там быть, потому что между источником электронов и исследуемым образцом необходимо поддерживать вакуум. Если электроны будут "натыкаться" на препятствия до встречи с образцом, картинка получится зашумлённой. В воздушной атмосфере электроны пролетят всего несколько сантиметров, прежде чем полностью рассеяться.

Один из сегодняшних нобелевских лауреатов, швейцарский биофизик Жак Дубоше, придумал способ обойти эту проблему и при этом сохранить исследуемые молекулы в том виде, в котором они "плавают" в водном растворе цитоплазмы клеток. С помощью жидкого этана и азота он сильно охлаждал воду, окружающую образцы, так быстро, что она приобретала свойства стекла — витрифицировалась. Витрифицированная твёрдая вода по свойствам отличается ото льда. Её молекулы не выстраиваются в характерные для льда кристаллические решётки, а остаются практически на тех же местах, что и в момент начала охлаждения. Благодаря этому растворённые в такой воде молекулы "застывают" с той же структурой, какую они имеют и в живых клетках. На них точно так же, как и при "обычной" электронной микроскопии, могут налетать электроны, и "тени" от них будут всё так же видны. Фактически Дубоше добавил "крио-" (что значит "заморозка") к электронной микроскопии.

Казалось бы, все проблемы на этом закончились. Мы сохранили белок в первозданном виде, вот мы получили его "отпечаток", чего же ещё? Проблема в том, что крупные молекулы трёхмерны и при этом имеют очень сложную форму, а отдельные изображения проекций содержат очень много шума. Стало быть, по одной-единственной проекции белка его строение не вычислишь даже близко. Нужно много "фотографий" одинаковых молекул, сделанных с разных сторон, чтобы создать двухмерную реконструкцию. Первым задачу реконструкции трёхмерной структуры из двухмерной проекции решил Аарон Клуг ещё в 1962-м на примере симметричного хвоста бактериофага, за что в 1982 году получил Нобелевскую премию по химии.

А новоиспечённый лауреат Иоахим Франк, американский биофизик немецкого происхождения, разработал вычислительные принципы для реконструкции частиц с любой симметрией. Он создал алгоритмы, позволяющие вычленить изображение исследуемой молекулы из общей картины, и научил компьютер сортировать такие изображения по степени их сходства, чтобы из отдельных шумных проекций создать виды молекулы с разных сторон. Затем Франк и другие его коллеги придумали, как комбинировать эти двухмерные виды, чтобы создавать трёхмерные реконструкции. До недавних пор эта была нетривиальная задача, и её решение зависело от конкретного образца. Сейчас улучшенное ПО и высокие вычислительные мощности позволяют решить эту задачу гораздо проще.

Методами, разработанными Дубоше и Франком, воспользовался шотландец Ричард Хендерсон и добавил к ним кое-что своё. Именно он в 1990 году выпустил статью, в которой продемонстрировал структуру пурпурного белка бактериородопсина в достаточно высоком разрешении. Однако не надо думать, что он пришёл на всё готовое. Бактериородопсином Хендерсон занимался уже задолго до развития криоэлектронной микроскопии и первый раз попытался установить строение этого белка в 1975 году. Тогда это казалось невозможным: молекула "в оригинале" была встроена в мембрану бактериальной клетки, да и кристаллизоваться никак не хотела. Тем не менее кое-какие детали структуры бактериородопсина ему удалось узнать уже тогда.

С тех пор Хендерсон и его коллеги вот уже более 40 лет уточняют структуры отдельных биологических молекул. Во многом благодаря его стараниям в 2013 году начался бум в области криоэлектронной микроскопии: были выпущены новые детекторы и программное обеспечение для реконструкций. Тогда же впервые была получена структура мембранного канала с атомарным разрешением. Говоря проще, в изучаемой молекуле можно было разглядеть каждый атом. После этого начался настоящий бум криоэлектронной микроскопии, и работ с использованием этого метода публикуют всё больше.

В чём прелесть структур биомолекул, полученных таким образом, кроме их красоты и подробности? Как мы уже говорили выше, тонкое строение молекул надо знать, чтобы представлять себе их физические и химические свойства. Это важно в первую очередь для современной фармакологии. Известно, что очень близкие по строению вещества могут оказывать кардинально разное действие на организм из-за какого-нибудь небольшого различия в расположении нескольких атомов в их молекулах. Активность белков сильно разнится в зависимости от их конформации. А ведь сейчас всё большее количество лекарств от рака и прочих тяжёлых заболеваний представляют собой именно белки.

Криоэлектронная микроскопия также позволяет прояснить механизмы действия уже существующих лекарств. Можно сделать раствор препарата и того вещества, на которое он действует, витрифицировать этот раствор и посмотреть, как выглядят молекулы в нём. Скорее всего, лекарство и его мишень сольются в одну молекулу, и важно знать, какими частями они будут соприкасаться и как изменится форма каждого из участников тандема. Если витрифицировать несколько таких идентичных смесей в разное время, можно отследить этапы взаимодействия одной молекулы с другой.

Метод позволяет изучать не только отдельные молекулы, но и структуры покрупнее — например, вирусы. Учитывая недавние эпидемии лихорадки Эбола и лихорадки Зика, возбудители которых именно вирусы, знать их строение критически важно, чтобы понимать, какими лекарствами с ними бороться. Это верно и для ВИЧ, который хоть и громко заявил о себе на десятилетия раньше, но до сих пор угрожает нам. Так что у специалистов по криоэлектронной микроскопии впереди ещё много работы на благо человечества.