Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи
Уилкинс пошел по стопам Резерфорда, изучая атомную физику и радиацию. Он приехал в Беркли в 1940-х и ненадолго присоединился к команде ученых, занимавшихся разделением и очищением изотопов для Манхэттенского проекта[443]. Но по возвращении в Англию Уилкинс вслед за многими физиками переключился на биологию. Книга Шрёдингера «Что такое жизнь?» его буквально зачаровала. Уилкинс рассуждал так: ген – фундаментальная единица наследственности – тоже должен состоять из субчастиц, и структура ДНК обязана пролить свет на их природу. Для физика это был шанс раскрыть самую соблазнительную тайну биологии. В 1946 году Уилкинса назначили помощником директора только что организованного подразделения биофизики Королевского колледжа в Лондоне.
«Биофизика». Само это странное слово – мешанина двух дисциплин – было вестником нового времени. Обретенное в XIX веке представление о живой клетке как о мешочке с протекающими в нем взаимосвязанными химическими реакциями положило начало новой могучей дисциплине, объединяющей биологию и химию, – биохимию. Как сказал химик Пауль Эрлих, «жизнь <…> – это случайное химическое происшествие»[444]. Верные этому принципу, биохимики стали разрушать клетки и описывать «вещества жизни», разделяя их на классы и изучая функции. Сахара дают энергию. Жиры ее хранят. Белки обеспечивают протекание химических реакций и регулируют темп биохимических процессов, работая «коммутаторами» биологического мира.
Но как белки реализуют физиологические реакции? Например, гемоглобин – переносчик кислорода в крови – осуществляет одну из простейших, но вместе с тем жизненно важных реакций в организме. При высоком уровне кислорода гемоглобин связывается с ним, а попав в среду с низкой концентрацией кислорода, легко с ним расстается. Это свойство позволяет гемоглобину транспортировать кислород из легких в сердце и мозг. Но какая особенность гемоглобина позволяет ему работать таким эффективным молекулярным челноком?
Ответ кроется в структуре молекулы. Ее наиболее изученный вариант, гемоглобин А, имеет форму четырехлистного клевера. Два из этих «листиков» образует белок под названием альфа-глобин, другие два – бета-глобин[445]. Центр каждого листика захватывает железосодержащее вещество под названием «гем», способное связывать кислород – эта реакция отдаленно напоминает контролируемое ржавление. Когда все гемы связываются с кислородом, гемоглобин компактизируется, как бы зажимая своими листиками кислородные молекулы внутри. При высвобождении кислорода белковая хватка слабеет. Отсоединение одной его молекулы координированно расслабляет все листики – почти как в детской головоломке работает вытаскивание главной детальки. Все четыре листика разворачиваются, и гемоглобин расстается со своим грузом. Контролируемое присоединение и отсоединение кислорода – цикл «ржавления» крови и очищения ее от «ржавчины» – позволяет эффективно снабжать ткани этим газом. Благодаря гемоглобину кровь переносит в 70 раз больше кислорода, чем могла бы транспортировать его просто в растворенном виде. От этого зависит и план строения позвоночных: если бы гемоглобин не смог доставлять кислород на дальние расстояния, мы вынужденно довольствовались бы маленькими и холодными телами. Проснувшись однажды утром, мы обнаружили бы, что превратились в насекомых.
Таким образом, гемоглобин выполняет свою функцию благодаря особой форме. Физическая структура молекулы обусловливает химические свойства, химические свойства определяют физиологическую функцию, а та, наконец, биологическую активность. Любую сложную работу живых организмов можно описать на этих уровнях: от физических свойств через химические до физиологических. На вопрос Шрёдингера «Что такое жизнь?» биохимик ответил бы: «Что, как не химические соединения». А биофизик мог бы добавить: «Но что есть химические соединения, как не молекулы вещества».
Это определение физиологии – тончайшее соответствие между формой и функцией вплоть до молекулярного уровня – восходит еще к Аристотелю. Он видел в живых организмах лишь совершенные ассоциации машин. Средневековая биология отошла от этой традиции, выдумав присущие только живым существам «жизненные силы» и мистические жидкости – нечто вроде deus ex machina[446], призванного объяснить загадку функционирования организмов (и подтвердить существование Творца). Но биофизики намеревались вернуть строго механистическое видение живого. Они заявляли, что физиологию до́лжно объяснять языком физики: силы, движения, действия, моторы, машины, рычаги, блоки, зажимы. Законы, устремлявшие ньютоновские яблоки к земле, должны действовать и на рост яблони. Чтобы объяснить жизнь, нет необходимости выдумывать мистические жидкости или призывать особые жизненные силы. Биология – это физика. Бог – в машине.
В Королевском колледже любимым проектом Уилкинса был поиск трехмерной структуры ДНК. Если ДНК действительно носитель генов, то ее структура должна пролить свет на природу генов. Из-за жуткой экономичности эволюция растянула жирафу шею и довела до совершенства четырехрукие объятия гемоглобина, и та же самая экономичность должна была идеально подогнать форму молекулы ДНК под ее функции. Молекула гена обязана выглядеть как молекула гена – что бы это ни значило.
Для расшифровки структуры ДНК Уилкинс решил воспользоваться набором биофизических техник, разработанных неподалеку, в Кембридже, и известных как рентгеновская кристаллография или рентгеноструктурный анализ. Чтобы в общих чертах понять суть метода, представьте, что вы пытаетесь определить форму крошечного трехмерного объекта – скажем, куба. Вы не можете ни увидеть этот куб, ни потрогать его грани – но у этого куба есть одно общее для всех физических объектов свойство: он отбрасывает тень. Представьте, что вы можете светить на куб под разными углами и фиксировать форму возникающих теней. Если световой луч упадет под прямым углом на одну из его граней, куб отбросит квадратную тень. Под косым лучом тень будет ромбической. Направьте источник света по-другому – и тень станет трапециевидной. Этот процесс трудоемок почти до абсурда – как вылепливание лица из миллиона силуэтов, – но зато работает: фрагмент за фрагментом, множество двумерных изображений можно собрать в трехмерную форму.
В основе рентгеноструктурного анализа лежит аналогичный принцип. «Тени» здесь появляются в результате рассеяния лучей кристаллом, только вот для «освещения» структур молекулярного мира нужно мощнейшее излучение – рентгеновское. И есть еще
