ДОСАДНЫЙ ПЕРЕКОС

Нобелевская премия 2006 г. по химии

Незачем скорбеть о досаждающих нам переменах,
ибо перемены – основа жизни.
Анатоль Франс

Из уст маститых ученых часто можно слышать, что деление химии на органическую, неорганическую, полимерную, аналитическую условно. Химия едина! Например, академик Ю.А.Золотов напоминает, что границы между смежными науками никогда не были четкими, потому что природа вообще не знает придуманного нами деления на дисциплины.

Это, безусловно, верно, но возникло деление химии на различные дисциплины не случайно, и отказаться от него довольно трудно. Химику-органику совсем не просто читать монографию по геохимии или вникать в статью по химии металлических сплавов: совсем иной образ мыслей, другой язык, малознакомые экспериментальные методики и способы представления результатов. Специализация химика в определенном направлении совсем не мешает работе, скорее наоборот, помогает совершенствоваться.

Обсуждать это вряд ли имело бы смысл, если бы не одна грустная деталь. Альфред Нобель в своем завещании упомянул химию, никак не разделяя ее на отдельные дисциплины. К чему это привело, судите сами: за последние 10 лет семь раз эту престижную премию получали биохимики и только три раза те, кого можно назвать «обычными» химиками, в том числе и физикохимики.

Традиционно Нобелевскую премию считают индикатором высоких достижений, она отмечает заметные вехи в развитии науки, дает возможность каждому ученому скорректировать свои знания и эрудицию. В крупных научных центрах принято приглашать очередного лауреата выступить с лекцией, некоторые институты устраивают специальный семинар для знакомства с содержанием премированной работы. Но в последние годы эта традиция почти исчезла.

Все дело в том, что биохимия (ее более современное название – молекулярная биология) весьма специфична. Не только круг изучаемых ею объектов, но и сам язык этой науки заметно отличается от того, к которому привыкли остальные химики. Традиционный язык химии – прежде всего химические формулы, благодаря которым химики всего мира легко понимают друг друга. Но именно химических формул в работах по биохимии вы практически не увидите.

Обычно состав молекулы полипептида изображают в виде слагающих эту молекулу аминокислот, обозначенных буквенными сочетаниями (например, ЛЕЙ-АЛА-ФЕН-ГЛИ-АЛА-АЛА), но скорее всего вам придется разглядывать ленточки, полоски, жгутики и спирали. Такой способ, помогающий изобразить третичную структуру биополимеров, предложил в свое время американский биофизик Джейн Ричардсон. Это компактный и, безусловно, удобный (для биохимиков) способ записи, но весьма непривычный для большинства химиков. Поэтому при знакомстве с очередным достижением химии, отмеченным престижной премией, большинство химиков ограничивается чтением всего одного предложения из пресс-релиза Нобелевского комитета, в котором сказано, за что именно присуждена эта премия (и не более того).

Понятно, что в сложившейся ситуации никак не виноваты сами биохимики, они делают свое трудное и интересное дело, не помышляя ни о каких премиях. «Обычные» химики тоже не виноваты. яркие звезды, загорающиеся на небосклоне химии (ферроцен, карборан, фуллерен) и создающие новые главы химической науки, появляются, к сожалению, не каждое десятилетие и, увы, непредсказуемо, что, кстати, делает научный поиск интереснее. Не только новые необычные соединения заслуживают награды. Если спросить самих химиков, то они назовут массу вполне достойных исследований: антикраун-эфиры, ионные жидкости, процессы кросс-сочетания и многое другое.

Нобелевский комитет тоже не в чем упрекнуть: они – обычные люди и никак не виноваты в том, что гораздо большее впечатление на них производят те работы, которые открывают способы лечения многих болезней, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, некоторые онкологические заболевания.

Преимущественное внимание членов Нобелевского комитета к биохимическим работам усиливается дополнительно следующим обстоятельством: все лауреаты Нобелевских премий прежних лет имеют право номинировать кандидатов на эту премию (т.е. выдвигать кандидатуры для очередного рассмотрения). Поскольку среди них с каждым годом все больше биохимиков, то вполне естественно, что они предлагают к номинированию тех ученых, работы которых им хорошо знакомы и достоинства которых им хорошо известны.

Можно предположить, что подобная проблема зреет и в недрах соседней с химией дисциплины: физики тоже, скорее всего, готовы посетовать на то, что астрофизика с ее нейтринной астрономией, рентгеновскими телескопами и исследованиями космического излучения постепенно захватывает монополию на премии.

Впрочем, есть выход – ввести новые номинации, как это было сделано в 1969 г., когда начали присуждать Нобелевские премии по экономике, но это, к сожалению, не нам решать.

Отложим на время наши переживания, связанные с тем, что обычная химия оказалась в тени набирающей силу биохимии, и познакомимся поближе с премированной работой.

Итак, Нобелевская премия по химии в 2006 г. присуждена Роджеру Корнбергу (Roger Kornberg) за исследования механизма транскрипции на молекулярном уровне у эукариотов. В названии работы присутствуют термины, которые следует пояснить.

Эукариоты – различные одно- или многоклеточные растительные и животные организмы, у которых в теле клеток содержится отграниченное мембраной ядро. В ядре, как известно, находится индивидуальный хромосомный набор каждого организма.

Помимо эукариотов существуют еще прокариоты, их организмы не содержат клеточного ядра и хромосомного аппарата – это бактерии, сине-зеленые водоросли и некоторые другие организмы. Таким образом, к эукариотам, которых изучал автор премированной работы, относится большинство окружающих нас растительных и животных организмов, в том числе и мы с вами, уважаемые читатели.

Вначале напомним, для чего используется информация, записанная в молекулах ДНК с помощью чередующихся азотсодержащих гетероциклов (нуклеиновых оснований). Конечный этап извлечения этой информации – синтез белков. Белки – важнейшие компоненты каждого живого организма: мышцы, внутренние органы, костная ткань, кожный и волосяной покров млекопитающих состоят из белков. Это полимерные соединения, которые собираются в живом организме из различных аминокислот. В такой сборке управляющую роль играют нуклеиновые кислоты, процесс проходит в две стадии.

На первой стадии часть двойной спирали ДНК раскрывается, освободившиеся ветви расходятся и становятся доступными. На этом участке начинается синтез РНК, называемой матричной, поскольку она, как копия с матрицы, точно воспроизводит информацию, записанную на раскрывшемся участке ДНК.

На второй стадии матричная РНК перемещается из ядра клетки в околоядерное пространство – цитоплазму, и к ней подходят так называемые транспортные РНК, которые несут с собой (транспортируют) различные аминокислоты для сборки белковых молекул. Какие именно аминокислоты и в какой очередности должны выстраиваться в цепь, указывает порядок чередования азотсодержащих гетероциклов в матричной РНК. Весь процесс напоминает работу пишущей машинки, складывающей из букв алфавита осмысленные слова.

Упомянутая выше первая стадия этого механизма и оказалась в центре внимания Корнберга.

Термин «транскрипция», присутствующий в названии работы, означает перезапись информации с ДНК на РНК. Этот процесс исключительно важен: если он остановится, то организм погибнет. Известно, например, что транскрипцию блокирует токсин, содержащийся в бледных поганках, многие заболевания (онкологические и сердечно-сосудистые) также связаны с нарушением этого процесса.

Большинство биохимических процессов проходит в присутствии биокатализаторов (так называемых ферментов). На сегодня изучено свыше 2000 различных ферментов, это самый многочисленный класс белков. Традиционно название каждого фермента имеет окончание «аза». Ферменты – истинные короли в мире катализа: они способны увеличивать скорости биохимических процессов в тысячи раз. Ферменты не только высокоэффективные катализаторы, но и селективные (направляют реакцию в строго заданном направлении). В их присутствии реакция проходит практически со 100%-м выходом, без образования побочных продуктов, при этом условия протекания реакции исключительно мягкие: обычное атмосферное давление и температура живого организма.

Процесс транскрипции, о котором идет речь, также проходит в присутствии специального катализатора – РНК-полимеразы. Эта макромолекула состоит из 30 000 атомов (название довольно точно отражает назначение этого катализатора). Механизм действия РНК-полимеразы и составляет основное содержание премированной работы.

Молекула полимеразы представляет собой спутанный клубок, который охватывает ДНК, удерживая ее в нужном положении. Затем фермент узнает, какой именно участок ДНК следует раскрыть, и частично раскрывает две нити ДНК с образованием небольшой полости. Открывшаяся полость имеет строго определенный размер: точно такой, который позволяет новому звену войти внутрь полости и присоединиться к растущей молекуле РНК. Природа этого звена определяется составом нуклеотида в открывшемся участке ДНК. После того как нужное звено встало на место, специальный фрагмент полимеразы (показан на рис. 1 в виде черной спирали) передвигает ДНК для того, чтобы произошло считывание следующего участка.

В зависимости от того, какое именно звено должно оказаться следующим, перемещающий спиральный фрагмент, подобно челноку, сдвигает ДНК назад или вперед для того, чтобы можно было раскрыть новый участок ДНК. Со слов Корнберга, он получил большое удовольствие, когда сумел в деталях познакомиться с замечательной работой этого «механизма».

После того как растущая РНК достигает нужной длины, она отходит в сторону, и ДНК восстанавливает структуру двойной спирали. В конце всех процедур молекула ДНК должна остаться неизменной. Природа это заботливо предусмотрела.

Заслуга Корнберга состоит в том, что он сумел сделать буквально «покадровую съемку» этого процесса, но не в форме фотоснимков, а в виде расшифрованных результатов рентгеноструктурного анализа, дополненных электронной микроскопией. Полученные результаты он представил в наглядной форме с помощью компьютерной модели. Столь элегантный эксперимент ему удалось провести благодаря тому, что он сумел выбрать необычайно удобный объект исследования – клетки пищевых дрожжей.

Дрожжи тоже относятся к эукариотам, и потому их можно рассматривать (в плане изучения механизма транскрипции) как модель млекопитающих. Оказалось, что дрожжевыми клетками намного легче манипулировать и проще создавать однородный материал, обеспечивающий воспроизводимость экспериментов. Тем не менее, чтобы полностью отработать технику эксперимента, Корнбергу потребовалось более десяти лет. В течение всего этого времени у него не было даже промежуточных результатов, которые можно было бы опубликовать, первые снимки он опубликовал в 2001 г.

Не многие исследователи могли бы столь долго продолжать поиски, не получая конкретных результатов. В течение всего периода работу финансировал Национальный институт здравоохранения США. По мнению Корнберга, рассчитывать на финансирование подобных фундаментальных работ со стороны промышленных или коммерческих организаций не приходится, поскольку только через десятилетия можно ожидать реальную прибыль.

Результаты работы Корнберга не исчерпываются описанной «съемкой» процесса. Помимо этого он установил, что процессу транскрипции «помогает» дополнительное участие пяти особых молекулярных комплексов. Например, комплекс из двадцати белков, названный медиатором (рис. 2), определяет то место, с которого следует начинать считывание информации, и когда следует закончить процесс, что напоминает работу двухпозиционного переключателя. Действие медиатора помогло понять, почему в клетках разных тканей синтезируются различные белки.

В настоящее время Корнберг изучает процессы, приводящие к нарушению транскрипции, что сопровождается различными заболеваниями. По мнению Корнберга, эти исследования со временем могут привести к созданию соответствующих лекарственных препаратов.

Напоследок не откажем себе в удовольствии посмотреть, кому и за что присудили в 2006 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине: лауреаты – Эндрю Файер и Крейг Мелло, содержание работы – «За открытие РНК-интерференции – эффекта гашения активности определенных генов». Буквально та же самая область и тот же круг объектов, что и у премированной работы по химии. М.В.Ломоносов мог бы в такой ситуации перефразировать свое знаменитое изречение, сказав: «Широко простирает биохимия руки свои в дела человеческие». Впрочем, «обычные» химики не унывают, поскольку уверены в том, что химия себя еще покажет!

* * *

КОРНБЕРГ Роджер родился в 1947 г. в Сан-Луисе (штат Монтана, США) в семье биохимика Артура Корнберга. Роджер – старший из трех сыновей. Его младший брат Томас Корнберг – профессор биохимии в Сан-Франциско (штат Калифорния, США) – вспоминает, что Роджера никогда ничто не интересовало, кроме науки, обстановка в их доме была такова, что беседы о науке продолжались в течение всего дня, в том числе и за обедом, и даже во время уик-эндов.

Роджер Корнберг получил степень бакалавра в 1967 г. в Гарварде, а степень доктора – в 1972 г. в Стэнфорде за исследование перемещения липидов в мембранах клеток. С 1972 г. по 1975 г. он работал в лаборатории молекулярной биологии в Кембридже (Великобритания), а с 1976 г. – в Военно-медицинской школе Гарварда в должности доцента по биохимии. В 1978 г. Корнберг возвратился в Стэнфорд и начал работу в звании профессора на кафедре структурной биологии.

Корнберг – член американской Национальной академии наук и американской академии наук и искусств, почетный член японского Биохимического общества, редактор журнала «Annual Reviews of Biochemistry», обладатель четырех национальных премий и Гран-при французской академии наук (2002). В связи с получением Нобелевской премии Корнберг был вынужден отменить поездку в Питсбург, где его ожидала премия Диксона по медицине.

В настоящее время он работает в Стэнфордском университете (штат Калифорния, США). Его жена Яли Лорч (Yahli Lorch) долгое время работала вместе с ним в Стэнфордском университете и, по словам Корнберга, была постоянным источником вдохновения в работе. В настоящее время она занимает должность профессора в этом университете.

Одним из первых поздравил нового лауреата его отец Артур Корнберг, который в 1959 г. получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за исследование механизмов биосинтеза рибонуклеиновой кислоты и дезоксирибонуклеиновой кислоты. Двенадцатилетний Роджер присутствовал в Стокгольме вместе с отцом на церемонии вручения премии.

Подобный прецедент – лауреаты отец и сын – шестой случай в истории Нобелевских премий. Для отца столь высокое признание заслуг сына не стало неожиданным, т. к. он знал, что его сын в прошлые годы был номинирован на эту премию.

В завершение своей нобелевской лекции Корнберг показал на экране список, включающий имена более чем 70 коллег из Америки, Европы и Израиля, сотрудничавших с ним в процессе работы. По мнению Корнберга, основные ожидания в борьбе за здоровье человечества следует связывать с биохимическими исследованиями.

Основное содержание премированной работы отражено в следующих публикациях:

Cramer P., Bushnell D.A., Kornberg R.D. Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 Е resolution. Science, 2001, v. 292, р. 1863–1876.

Gnatt A.L., Cramer P., Fu J., Bushnell D.A., Kornberg R.D. Structural basis of transcription: An RNA polymerase II elongation complex at 3.3 Е resolution. Science, 2001, v. 292, p. 1876–1882.

Bushnell D.A., Westover K.D., Davis R.E., Kornberg R.D. Structural basis of transcription: An RNA polymerase II – TFIIB cocrystal at 4.5 angstroms. Science, 2004, v. 303, p. 983–988.

М.М.ЛЕВИЦКИЙ