Страница 13 из 14

Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Вентер Крейг

Другая белковая машинерия разлагает и разрушает старые или отказывающие клетки в многоклеточных организмах. Эта программируемая клеточная смерть – апоптоз – критически важная составляющая жизни и развития. Конечно, разборка чего-то настолько сложного, как клетка, требует чрезвычайно точной координации. Чтобы начать разрушение, апоптосома, белковый комплекс, прозванный «машина смерти о семи спицах», использует каскад каспаз – особой разновидности протеаз, т. е. ферментов, переваривающих белок. Эти каспазы ответственны за разборку главных клеточных белков, таких как белки цитоскелета, что приводит к характерным изменениям формы клеток, подвергающихся апоптозу. Другой признак апоптоза – это фрагментация ДНК. Каспазы играют важную роль в этом процессе, активируя фермент, расщепляющий ДНК, – ДНКазу. Кроме того, они ингибируют ферменты, ремонтирующие ДНК, разрушая структурные белки в ядре клетки.

Наши тела можно было бы представить как трехмерные белковые структуры, но постоянное обновление их компонентов делает эти структуры динамическими. Шрёдингер уловил это, когда говорил о «поразительном даре организма концентрировать в себе „поток порядка“, избегая тем самым распада в атомный хаос, – о „питье упорядоченности“ из подходящей окружающей среды».

И наконец, мы должны рассмотреть, что именно движет всей бешеной активностью и обновлением во всех и в каждой клетке. Если и был кандидат на жизненную силу для одушевления жизни, это то, что в 1827 году впервые заворожило Роберта Броуна (1773–1858), когда этот шотландский ботаник заинтересовался постоянными зигзагообразными движениями фрагментов пыльцевых зерен, феноменом, который назовут в его честь (если только вы не француз – они утверждают, что сходные наблюдения были изложены в 1828 году ботаником Адольфом-Теодором Броньяром, 1801–1876). Броуна озадачило то, что эти микроскопические движения происходили не от потоков жидкости, и не от испарения, и не от прочих очевидных причин. Сначала он подумал, что заметил «тайну жизни», но, обнаружив, что так же двигаются и минеральные крупицы, отмел это представление.

Первый существенный сдвиг в нашем нынешнем понимании того, чему стал свидетелем Броун, произошел более чем через 75 лет после его открытия, когда Альберт Эйнштейн (1879–1955) рассмотрел теоретически, как невидимые молекулы, из которых состоит вода, должны подпихивать плавающие в ней мелкие частицы. До статьи Эйнштейна 1905 года кое-кто из физиков (особенно Эрнст Мах, 1838–1916) все еще сомневался в физической реальности атомов и молекул. Модель Эйнштейна была в конце концов подтверждена точными экспериментами, проведенными в Париже Жаном Батистом Перреном (1870–1942), который в 1926 году был награжден за эту и другие работы Нобелевской премией.

Броуновское движение оказалось важным, когда дело дошло до понимания работы живых клеток. Многие жизненно важные компоненты клеток, такие как ДНК, намного больше отдельных атомов, но все же достаточно малы, чтобы их двигали постоянные удары окружающего моря атомов и молекул. Так что, хотя ДНК действительно имеет форму двойной спирали, благодаря силам хаотического броуновского движения это извивающаяся, сгибающаяся, кружащаяся спираль. Белковые роботы живых клеток способны складываться в свои правильные формы лишь потому, что их компоненты – это подвижные цепочки, пластинки и спирали, которые постоянно толкутся внутри защитной клеточной мембраны. Жизнь движется броуновским движением, начиная с кинезиновых грузовичков, которые тянут маленькие мешочки с веществами вдоль микротрубочек к вращающейся АТФ-синтетазе{73}. Критически важно, что броуновское движение зависит от температуры: слишком низкая – и движения не хватает; слишком высокая – и все структуры идут вразнос от бешеного движения. Поэтому жизнь может существовать только в узком спектре температур.

Внутри этого спектра в клетках постоянно происходит что-то вроде девятибалльного землетрясения. «Вам не нужно было бы даже нажимать на педали велосипеда: просто приделайте к колесу храповик, чтобы оно не могло крутиться назад, и тряситесь вперед», как говорили Джордж Остер и Хуньгун Ван с факультета молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли{74}. Белковые роботы совершают похожий трюк, используя храповики и рабочие такты для обуздания силы броуновского движения. Благодаря непрекращающемуся беспорядочному движению и вибрации молекул на коротких дистанциях очень быстро происходит диффузия, что позволяет происходить биологическим реакциям с малыми количествами реагентов в чрезвычайно тесных объемах большинства клеток.

Теперь, когда мы знаем, что линейный текст ДНК определяет строение белковых роботов и РНК, которые управляют нашими клетками, а их строение, в свою очередь, определяет их функции, следующий вопрос очевиден: как нам читать и понимать этот текст, чтобы мы могли понять программу жизни?

Глава 4. Оцифровка жизни

Первые дни молекулярной биологии были отмечены тем, что многим показалось самонадеянным отщеплением новой науки от биохимии. Однако наш спор не касался методов биохимии, но лишь их слепого игнорирования новой области химии информации.

Настала эра цифровой биологии, в которой белки и другие взаимодействующие молекулы в клетке можно рассматривать как компьютерное «железо», а информацию, закодированную в ДНК, – как клеточный «софт», то есть программы. Вся информация, нужная для создания живой самовоспроизводящейся клетки, заключена в цепочках двойной спирали ДНК. По мере чтения и истолкования этого текста мы в конце концов сможем полностью понять, как работают клетки, а затем изменять и улучшать их путем написания новых клеточных программ. Но, конечно, это легче сказать, чем выполнить: изучение этих программ – ДНК – показывает, что они значительно сложнее, чем мы думали даже лет десять назад.

В то время как первая линейная последовательность аминокислот в белке (инсулине) была установлена Фредом Сэнгером в 1949 году, разработка методов чтения ДНК оказалась делом долгим. В 1960-х и 1970-х продвижение было медленным и секвенирование измерялось в нескольких парах оснований в месяц или даже в год. Например, в 1973 году Аллан Максэм и Уолтер Гилберт из Гарвардского университета опубликовали статью, описывающую, как с помощью их нового метода секвенирования{76} были установлены двадцать четыре пары оснований. Одновременно шло и секвенирование РНК, продвигавшееся несколько быстрее. И все же по сравнению с возможностями современных технологий даже для чтения нескольких букв кодированного текста в ту пору требовались поистине героические усилия.

Большинство людей узнали о геномике при первой расшифровке человеческого генома, которая увенчалась моим появлением в Белом доме в 2000 году рядом с моими коллегами-соперниками и президентом Клинтоном, где мы торжественно объявили об открытии последовательности человеческого генома. На самом деле первые идеи о расшифровке ДНК относятся к временам полувековой давности, когда Уотсон и Крик предложили модель ее атомной структуры. Большой скачок в нашем познании случился, когда в 1965-м группа под руководством Роберта Холли из Корнеллского университета опубликовала последовательность из семидесяти семи рибонуклеотидов аланиновой транспортной РНК (тРНК) из клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae{77} как часть работы по выявлению того, как тРНК помогает собирать аминокислоты в белки. Секвенирование РНК продолжало лидировать, когда в 1967 году группа Фреда Сэнгера установила последовательность нуклеотидов рибосомальной 5S-РНК E. coli, короткой молекулы из 120 нуклеотидов{78}. Первый реальный геном, который был успешно расшифрован, был вирусной РНК: в 1976 году лабораторией Вальтера Фирса в Гентском университете в Бельгии был секвенирован бактериофаг MS2. Фирс изучал бактериофаги (которые захватывают для своего размножения бактерии) совместно с Робертом Л. Синшаймером из Калтеха, а потом с Харом Гобиндом Кораной в Мэдисоне (Висконсин).

Oster, George, and Hongyun Wang. “How Protein Motors Convert Chemical Energy into Mechanical Work” (2003). In Molecular Motors, edited by M. Schliwa (Wiley-VCH). http://users.soe.ucsc.edu/~hongwang/publications/Schliwa_08.pdf

Bre

Gilbert, Walter, and Allan Maxam. “The Nucleotide Sequence of the lac Operator.” Proc. Nat. Acad. Sci. USA, Vol. 70, № 12, Part I, стр. 3581–3584, 1973.

Holley, R. W., G. A. Everett, J. T. Madison, A. Zamir (май 1965). “Nucleotide Sequences In The Yeast Alanine Transfer Ribonucleic Acid.” J. Biol. Chem. 240 (5), стр. 2122–2128. PMID14299636.

Brownlee, G. G.; F. Sanger, B. G. Barrell (1967). “Nucleotide sequence of 5S-ribosomal RNA from Escherichia coli.” Nature 215 (5102), стр. 735–736.