Вновь лучшими химиками признаны биохимики

Нобелевская премия по химии 2009 г.

Процесс научных открытий – это,
в сущности, непрерывное бегство от чудес.
А.Эйнштейн

 

Стало уже почти традицией, что Нобелевские премии по химии присуждают биохимикам. Таково, по-видимому, веление времени, эта тенденция стала особенно заметной в ХХI в.

В 2001 г. Но­белевская премия по химии была присуждена за исследования, используемые в фармацевтической промышленности;

в 2002 г. – за разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул;

в 2003 г. – за изучение водных и ионных каналов в клеточной мембране;

в 2004 г. – за открытие механизма деградации белков;

в 2006 г. – за исследования молекулярных основ процесса транскрипции у эукариотов;

в 2008 г. – за открытие и дальнейшую разработку зеленого флуоресцентного протеина GFP.

Тем не менее, исследованиям в традиционной химии хоть и не часто, но пока все же удается попадать в этот почетный перечень:

2005 г. – за развитие метода метатезиса в органическом синтезе;

2007 г. – за изучение химических процессов на поверхностях твердых тел.

Естественно, что химики с интересом и вниманием следят за работами своих ближайших коллег биохимиков, тем более что в основе биохимических превращений лежат обычные химические реакции. Отличие от обычной химии состоит в том, что такие реакции протекают не в колбе, а внутри особых биологических агрегатов, так называемых комплексов. Центральный объект многих биохимических исследований – синтез белковых молекул, составляющих основу живого организма. Главная героиня нашего рассказа – рибосома – представляет собой ансамбль, состоящий из определенных белков и специальных РНК (рибонуклеиновых кислот). По существу, это рабочее помещение, т.е. лаборатория, в которой происходит синтез белка.

За исследования структуры и функции рибосомы Нобелевская премия по химии в 2009 г. присуждена троим ученым: Аде Йонат (Ada Yonath) из Института Вейцмана в Израиле, Венкатраману Рамакришнану (Venkatraman Ramakrishnan) из лаборатории молекулярной биологии Кембриджского университета в Великобритании и Томасу Стайцу (Thomas Steitz) из Йельского университета в США.

Как устроена рибосома

Рибосомы как особые образования, содержащиеся в клетке живого организма, были обнаружены и описаны в середине 1950-х гг. За исследование рибосом, особенностей их строения и роли в организме Джордж Паладе, Клод и Кристиан Де Дюв в 1974 г. получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Таким образом, рибосома оказалась весьма благодатным объектом для исследований.

Рибосома представляет собой крупное формирование размером 10–20 нм и состоит из двух бугристых фрагментов – большого и малого (биохимики называют их большой и малой субъединицами). Эти фрагменты собраны из белков и специальных РНК, которые так и называются рибосомными. Некоторое время ученые довольствовались изображением рибосомы, полученным с помощью электронной микроскопии, в научных журналах появлялись изображения, подобные показанным на рис. 1.

Тем не менее, для понимания того, как работает рибосома, необходимо было установить ее строение с точностью до одного атома. Именно эта работа составила первую часть исследований нынешних нобелевских лауреатов, причем первопроходцем была Ада Йонат. Она решила использовать самый надежный метод для выяснения строения молекул – рентгеноструктурный анализ. Для этого необходимо было иметь хотя бы один кристалл вещества, причем он не должен содержать дефектов.

Поначалу казалось, что закристаллизовать столь сложный комплекс очень крупных молекул практически невозможно. Подсказку, по словам Йонат, ей дали белые медведи. Во время зимней спячки им не требуется синтезировать новые белки, следовательно, производители белков – рибосомы – должны каким-то образом на время “запаковываться”, иначе говоря, образовать кристаллическую структуру. Таким образом, возникло предположение, что закристаллизовать рибосому все же возможно. Отдавая дань уважения своим вдохновителям, Йонат на одном из первых слайдов нобелевской лекции показала снимки белых медведей (рис. 2).

Попутно отметим, что здесь Йонат допустила небольшую ошибку – белые медведи не впадают в зимнюю спячку, а все упомянутые ранее рассуждения справедливы по отношению к бурым медведям. Для исследований она выбрала не медведей, а гораздо более удобные объекты – бактерии, обитающие в горячих источниках, а также присутствующие в водах Мертвого моря. При этом Йонат рассуждала следующим образом: организмы, живущие в экстремальных условиях, должны иметь более стабильные “устройства” для синтеза белка, и, следовательно, из них легче получить кристаллы. Для облегчения кристаллизации и стабилизации полученных кристаллов она использовала низкие температуры (жидкий азот).

Однако получить хороший кристалл и зафиксировать его рентгенограмму – это только половина работы, вторая часть, не менее трудоемкая, – расшифровать результаты рентгеноструктурного анализа, т.е. довести картину до объемного изображения атомов, составляющих молекулу. Первые удачные результаты Йонат получила в начале 1990-х гг. – она опубликовала структуру большого фрагмента (субъединицы) рибосомы.

Усовершенствовав методику выращивания кристаллов и метод расшифровки рентгенограмм, второй лауреат Т.Стайц в 2000 г. представил уточненную структуру большого фрагмента, а В.Рамакришнан (третий лауреат) в том же году опубликовал структуру малого фрагмента рибосомы. Внешний вид рибосомы в схематическом и детальном виде изображен на рис. 3.

В современных биохимических работах цепи белковых молекул и нуклеиновых кислот изображают упрощенно в виде лент и спиралей, поскольку более привычный для химиков рисунок с шариками (атомами) и палочками (химические связи) получается чрезвычайно громоздким и трудновоспринимаемым. Оказалось, что большой и малый фрагменты рибосомы не соединены химическими (ковалентными) связями, они могут расходиться и в нужный момент вновь соединяться.

Внешний вид полученных структур не оставляет никакого сомнения в том, сколь сложная и практически ювелирная работа была проделана при расшифровке строения рибосомы. Полученные детальные сведения о том, как устроена рибосома, дали возможность исследователям понять и описать процесс синтеза белков, экспериментально зафиксировав разные стадии ее работы при сборке белковых молекул.

Количество существующих белков измеряется десятками тысяч, все они имеют различную структуру и выполняют разнообразные функции. Прежде всего, белки отличаются друг от друга порядком чередования аминокислот, из которых они собраны. Для каждого индивидуального белка набор аминокислот и их порядок строго соблюдается. Несмотря на большое разнообразие существующих белков, способ их сборки в рибосоме практически одинаков, его можно отдаленно сравнить с процессом экранизации литературного произведения.

В основе, разумеется, лежит само произведение, например роман, в нем описаны все происходящие события. Сценарист выбирает из романа те части сюжета, которые собирается экранизировать, затем режиссер снимает отдельные сцены в соответствии с намеченным сценарием. На завершающем этапе происходит монтаж, т.е. объединение отснятых фрагментов в единый фильм.

Выбранный для экранизации роман можно сравнить с широко известной молекулой ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), в которой хранится вся исходная информация, т.е. “инструкция по сборке белков”. Написание сценария – это, по существу, работа другой молекулы, так называемой матричной РНК, которая “считывает” необходимую информацию с отдельных участков ДНК; точнее говоря, матричная РНК собирается на основе ДНК, делая с определенного ее участка “слепок” (рис. 4). Происходит точное копирование последовательностей полярных групп по принципу “ключ–замок”, что условно обозначено в виде прямоугольных и цилиндрических выступов.

Прежде чем начинать работать, матричная РНК, содержащая основную информацию, закрепляется в малом фрагменте рибосомы. После этого в процесс включается другая РНК, называемая транспортной, она несет с собой нужную аминокислоту. Молекула транспортной РНК, нагруженная определенной аминокислотой, располагается около определенного участка матричной РНК, причем размещается в том месте, которое РНК диктует с помощью тех же самых строго расположенных полярных групп, скопированных с ДНК. Эти группы так же подходят друг к другу, как ключ к замку (рис. 5). В этот момент к малому фрагменту рибосомы подходит большой фрагмент – происходит полная сборка всего молекулярного устройства, условно говоря, “кинокамеры”.

Все последующие процессы протекают на стыке этих фрагментов. К реагирующему центру подходит другая транспортная РНК со своей аминокислотой, две аминокислоты реагируют между собой, образуя фрагмент будущего белка. Образование связи между аминокислотами обозначено на рис. 5 в виде утолщенной черты. Уподобим этот процесс съемке определенного фрагмента из грядущего фильма. Затем рибосома продвигает матричную РНК, как транспортерную ленту, на один шаг, чтобы к следующему участку могла подойти третья транспортная РНК с новой аминокислотой. Прибывшая аминокислота реагирует с уже имеющимся фрагментом будущего белка, удлиняя его цепь на одно звено.

В определенном месте на матричной РНК находятся специальным образом сгруппированные полярные группы, к ним не может “пристроиться” ни одна транспортная РНК, эти группы указывают на то, что удлинение цепи необходимо завершать.

После того как белковая цепь достигнет нужной длины, она отсоединяется от “монтажного устройства”, рибосома возвращается в исходное состояние и вновь оказывается готовой к синтезу очередного белка. На выходе получается полимерная молекула белка, образно говоря, “кинолента”.

Рибосому, работающую как лентопротяжный механизм, можно назвать кинематографическим термином “монтажная”. Одна и та же рибосома может синтезировать самые разные белки, необходима лишь соответствующая матрица, т.е. матричная РНК и строительный материал – аминокислоты, подвозимые специальным транспортом – транспортными РНК.

Работает рибосома очень быстро, собирая за одну секунду участок цепи из 10–15 аминокислот, причем трудится исключительно аккуратно, не допуская ошибок при сборке молекулы из сотен звеньев. Полный синтез белковой молекулы проходит приблизительно в течение одной–полутора минут. В процессе жизнедеятельности белки постоянно расходуются, поэтому они регулярно воспроизводятся рибосомой по описанной схеме.

Победить – значит сломать

Выяснение того, как работают рибосомы, представляет собой важный этап в развитии науки, поскольку синтез белка – это основной процесс жизнедеятельности. Однако значение премированной работы этим не исчерпывается. Результаты работы имеют конкретное прикладное значение в борьбе с болезнетворными бактериями. Ее авторам удалось создать трехмерные модели, иллюстрирующие взаимодействие различных антибиотиков с рибосомами некоторых таких бактерий. В процессе исследований выяснилось, что лекарственные препараты – антибиотики – блокируют отдельные рабочие узлы в рибосомах бактерий.

Очень важным оказалось следующее обстоятельство: рибосомы высших организмов, например, человека, заметно отличаются от бактериальных – они намного сложнее. Благодаря этому лекарство может повреждать рибосомы болезнетворной бактерии, не причиняя вреда рибосомам в клетках человека. Примерно половина существующих на сегодня антибиотиков действует на рибосомы бактерий. Удалось установить, что тетрациклин препятствует взаимодействию транспортной РНК с рибосомой, а эритромицин блокирует взаимодействие двух оказавшихся рядом аминокислот. Если какой-то узел в машине по производству белка сломан, то гибнет и сам организм, т.е. бактерия.

К сожалению, до сих пор использование антибиотиков не привело к полной победе над болезнями, поскольку бактерии постоянно видоизменяются, образуя новые формы, так называемые штаммы, устойчивые к антибиотикам. Теперь, когда принципы работы рибосом понятны, поиск новых антибиотиков и изучение механизма их действия поднимает современную фармакологию на новый уровень. Есть все основания полагать, что открытия нобелевских лауреатов 2009 г. помогут синтезировать неизвестные ранее эффективные антибиотики.

Вполне заслуженно, но не совсем справедливо

Результаты научной работы по расшифровке структуры рибосомы и выяснению механизма ее работы, безусловно, заслуживают Нобелевской премии, в этом большинство ученых единодушно. Тем не менее, выбор Нобелевским комитетом именно этих трех лауреатов многие считают спорным. Такое происходит всегда при обсуждении результатов работы комитета. Прежде всего, напомним, что Нобелевская премия за один конкретный год не может быть присуждена более чем трем ученым – таково положение о Нобелевских премиях. В результате почти всегда остаются в тени ученые, чей вклад в открытие, отмеченное премией, также заслуживает признания. Так случилось и в этот раз.

Первым показал ключевую роль РНК в работе рибосомы и опубликовал точную молекулярную структуру рибосомы и описание принципов ее работы, почти одновременно с обладателями премии, Гарри Ноллер (Harry F.Noller) из Калифорнийского университета в Санта-Крус (США). Эта работа была выполнена при участии Марата и Гульнары Юсуповых, ранее работавших в Институте белка в г. Пущино и впоследствии продолживших исследования в лаборатории Ноллера. К сожалению, результаты работы Нобелевского комитета никогда не пересматриваются и не отменяются, в результате возникает ощущение некоторой несправедливости.

К чести некоторых Нобелевских лауреатов следует сказать, что известны случаи, когда премированный лауреат отдавал часть своей премии незаслуженно обойденному ученому.

Коротко о лауреатах

Прежде всего отметим, что все трое лауреатов не сотрудничали, у них не было совместных публикаций, тем не менее они внимательно следили за работами друг друга. Можно сказать, что их работа напоминала дружескую конкуренцию.

Ада Йонат стала четвертой женщиной-лауреатом Нобелевской премии по химии. Она родилась 22 июня 1939 г. в Иерусалиме, в бедной семье евреев-иммигрантов, выходцев из польского города Лодзь. Ее отец был раввином, он умер, когда Аде было 11 лет, а ее младшей сестре Нурит – два года. Мать, всю жизнь остававшаяся домохозяйкой, делала все возможное, чтобы помочь дочерям получить образование. Обе сестры отлично учились в школе, но девочкам приходилось подрабатывать частными уроками и мытьем полов у соседей.

Научную карьеру выбрала только Ада. После прохождения обязательной армейской службы она поступила в Еврейский университет в Иерусалиме. Училась с охотой, по выходным и в каникулы подрабатывала прядильщицей на ткацкой фабрике, чертежницей в автобусном кооперативе, помощницей повара в рабочей столовой. Окончив университет, она в 1962 г. получила степень бакалавра по химии, а два года спустя степень магистра по биохимии, после чего начала научно-исследовательскую работу в Институте Вейцмана в г. Реховоте (Израиль).

В 1969 г. она защитила докторскую диссертацию по специальности “Рентгеновская кристаллография”, после чего два года проработала в США: один год – в университете Карнеги-Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания, и второй год – в Массачусетсском технологическом институте. По возвращении на родину в 1970 г. Йонат продолжила научную деятельность в Институте Вейцмана. Параллельно она преподавала в Тель-Авивском университете, в университете Бен-Гуриона в Негеве и в Открытом университете Израиля.

Йонат вела исследования в университете Алабамы (1974), в Чикагском университете (1977–1978) и в Институте молекулярной генетики им. Макса Планка в Берлине (1979–1983). С 1986 по 2004 гг. она возглавляла научные работы в области молекулярной биологии в Институте им. Макса Планка в Гамбурге.

В настоящее время Йонат работает в Институте Вейцмана, в котором, по мнению авторитетного американского научного журнала “The Scientist”, созданы лучшие условия для работы ученых.

Со слов Йонат, после получения ею Нобелевской премии в Израиле появилось новое выражение, обозначающее людей с вьющимися волосами, их стали называть “голова, покрытая рибосомами”, что вполне понятно, если взглянуть на ее фотопортрет.

Вот некоторые из недавних публикаций А.Йонат:

Davidovich C., Belousoff M., Bashan A., Yonath A. The evolving ribosome: from non-coded peptide bond formation to sophisticated translation machinery. Res. Microbiol., 2009, v. 160, р. 487–492; Yonath A. Large facilities and the evolving ribosome, the cellular machine for genetic-code translation. J.R.Soc. Interface, 2009, v. 6, Suppl. 5, р. 575–586; Auerbach T., Mermershtain I., Bashan A., Davidovich C., Rosenberg H., Sherman D.H., Yonath A. Structural basis for the antibacterial activity of the 12-membered-ring mono-sugar macrolide methymycin. Biotechnolog, 2009, v. 84, p. 24–35; Zimmerman E., Yonath A. Biological Implications of the Ribosome’s Stunning Stereochemistry. ChemBioChem., 2009, v. 10, p. 63–72.

Томас Стайц родился в 1940 г. в США, в Милуоки (штат Висконсин). Получил степень бакалавра по химии в колледже Лоренса в Аплтоне. Затем учился в Гарварде, где в 1966 г. защитил докторскую диссертацию по специальности “Молекулярная биология”. С 1967 по 1970 гг. он работал в лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского совета в Кембридже. По возвращении на родину в 1970 г. начал вести научные исследования в Йельском университете, где работает в настоящее время в должности профессора молекулярной биофизики и биохимии.

Периодически для проведения исследований он выезжает в другие научно-исследовательские учреждения: Колорадский университет, Калифорнийский технологический институт, Гарвардский университет, а также в Германию, в Геттингенский университет.

Деятельность Стайца, пожалуй, наиболее точно отражает прикладную значимость премированной работы: он – директор экспертного совета компании, разрабатывающей новые антибиотики, которые действуют на устойчивые штаммы бактерий. Ряд препаратов уже доведен до клинических испытаний, есть надежда, что человечество сумеет достойно продолжить битву с болезнетворными бактериями.

Решение заняться молекулярной биологией возникло у Стайца, когда он в 1963 г. в Гарварде прослушал лекцию Макса Перуца – нобелевского лауреата по химии 1962 г., получившего премию за исследования структуры глобулярных белков. По признанию Стайца, Перуц с тех пор стал его кумиром. Так один нобелевский лауреат определил научный путь другого будущего лауреата.

Некоторые из недавних публикаций Т.Стайца:

Yin Y.W., Steitz T.A. Structural basis for the transition from initiation to elongation transcription in T7 RNA polymerase. Science, 2002, v. 298, р. 1387–1395; Schmeing T.M., Huang K.S., Strobel S.A., Steitz T.A. An induced-fit mechanism to promote peptide bond formation and exclude hydrolysis of peptidyl-tRNA. Nature, 2005, v. 438, р. 520–524; Blaha G., Moore P.B., Steitz T.A. Structures of MLSBK antibiotics bound to mutated large ribosomal subunits provide a structural explanation for resistance. Cell, 2005, v. 121, p. 257–270.

Венкатраман Рамакришнан – самый молодой из тройки лауреатов. Он родился в 1952 г. в городке Чидамбарам на юге Индии, в семье из касты брахманов. Его детство прошло в другом индийском городе Барода (современное название Вадодара), где он впоследствии учился в университете. В 1971 г. Рамакришнан получил степень бакалавра по физике, после чего уехал в США, где в 1976 г. в Университете Огайо получил докторскую степень, также по физике. После этого он решил оставить физику и заняться биологией. Два года он учился биологии в Калифорнийском университете в Сан-Диего, затем работал в Йельском университете, где начал исследовать рибосомы.

В 1999 г. ученый переехал в Англию, где возглавил исследовательскую группу в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. Это выдающееся научное учреждение, работающее под эгидой британского Совета по медицинским исследованиям, уже дало миру 13 нобелевских лауреатов, Рамакришнан – четырнадцатый лауреат.

Со слов Рамакришнана, тема его докторской диссертации по физике казалась ему малоинтересной. Однажды, просматривая выпуски журнала Scientific American (известный американский научно-популярный журнал), он обнаружил, что в биохимии сделано много удивительных открытий. Кроме того, ученый вспомнил, что некоторые знакомые физики перешли в биологию, после чего он решил последовать их примеру. Это яркий и далеко не единственный пример, когда знакомство с научно-популярной литературой помогает молодому человеку найти свой путь в науке.

Обычно нобелевский лауреат завершает лекцию, выражая благодарность своим коллегам, часто с демонстрацией коллективной фотографии, но Рамакришнан изящно нарушил эту традицию. В начале своего торжественного доклада, на котором обязательно присутствуют члены королевской семьи и представители Шведской академии, в качестве самого первого слайда он представил фотопортреты 27 своих молодых коллег, принимавших непосредственное участие в выполнении работы.

Некоторые из недавних публикаций В.Рамакришнана:

Weixlbaumer A., Jin H., Neubauer C., Voorhees R.M., Petry S., Kelley A.C., Ramakrishnan V. Insights into translational termination from the structure of RF2 bound to the ribosome. Science, 2008, v. 322, р. 953–956; Ramakrishnan V. What we have learned from ribosome structures. Biochem. Soc. Trans., 2008, v. 36, p. 567–574; Weixlbaumer A., Petry S., Dunham C.M., Selmer M., Kelley A.C., Ramakrishnan V. Crystal structure of the ribosome recycling factor bound to the ribosome. Nat. Struct. Mol. Biol., 2007, v. 14, p. 733–737.

М.М.ЛЕВИЦКИЙ