Узнал структуру жизни и смерти

Человек, который показал миру, как выглядят атипичная пневмония и коровье бешенство
Биолог по случайности
Та самая двойная спираль
Несостоявшийся учитель физкультуры
Опасный самодопинг
Зародыш, трансплантация и прионы
Яков Журинский    

Наш журналист провел целый день с Нобелевским лауреатом — швейцарским химиком Куртом Вютрихом. В 2002 году он получил Премию за открытие, благодаря которому стала известна структура нескольких тысяч белковых молекул и понятны важнейшие вопросы жизни и смерти человека.

Курт Вютрих — швейцарский химик и биофизик. Вопреки скепсису коллег он начал применять ЯМР-спектроскопию для анализа сложной структуры белков. Раньше таким способом изучали лишь простые неорганические молекулы. Благодаря методу Вютриха стало известно строение белков, отвечающих за развитие эмбриона, белков-прионов, вызывающих коровье бешенство, вируса атипичной пневмонии и много чего еще. За это ученому вместе с химиками Коити Танакой и Джоном Фенном в 2002 году вручили Нобелевскую премию по химии.

Биолог по случайности

Курт Вютрих приехал в Россию на Фестиваль науки. Мы встретились с ним на Биологической станции возле подмосковного Звенигорода, где он общался со студентами.

Спускаемся к реке. Вдруг Нобелевский лауреат с изумлением начинает рассматривать деревья:

— Непривычно видеть дикий, не посаженный человеком лес. У меня на ферме тоже есть лес, но он — строевой, там все деревья одинаковые. Раньше ферма была больше, но сейчас я продал поля, а лес всё-таки оставил.

Вютрих внимательно смотрит на ольху:

— А это что за дерево?

Все судорожно вынимают телефоны и начинают искать перевод сначала на английский, а, когда оказывается, что это английское слово Вютриху незнакомо, то и на немецкий.

А-а-а! Так вот, что это такое! У нас в Швейцарии они совсем не такие!

Курт Вютрих на Звенигородской биологической станции. В Россию он приезжал в октябре 2014 года, чтобы принять участие в Фестивале науки.

Директор Звенигородской биостанции ведет нас в местный музей. Выпускники биофака МГУ, когда-то проходившие тут практику, радуются: наконец-то удастся заглянуть за дверь с большим амбарным замком. Зажигаем свет, входим. Внутри — чучела животных, карты почв и фотография Джеймса Уотсона, открывателя структуры ДНК и тоже Нобелевского лауреата.

— Надо же, Джимми тоже бывал здесь! — удивляется Вютрих.

Связывает их с Уотсоном и другое: оба занимаются молекулярной биологией.

Детство Вютриха прошло на ферме в Швейцарии. Немало времени он проводил в собственной химической лаборатории, где ставил свои первые опыты. Спустя много лет он получил Нобелевскую премию именно по химии. Но результаты его работы выше всех оценили биологи. Именно с их подачи Вютрих стал настоящей научной звездой.

— Однажды ко мне пришли биологи и предложили сотрудничать. Моя лаборатория за шесть недель определила структуру важного для их исследований белка… И после этого меня стали считать профессионалом в этой науке. Хотя я химик и ни черта не смыслил в той теме, — скромно делится воспоминаниями Курт Вютрих.

Его главным рабочим инструментом был метод ядерной магниторезонансной (ЯМР) спектроскопии, открытый еще в середине прошлого столетия и применявшийся в химии для определения структуры молекул. До Вютриха таким образом изучали лишь простейшие молекулы неорганических веществ. Швейцарец же решил попробовать исследовать методом ЯМР белки — сложнейшие молекулярные структуры.

Звенигородская биологическая станция (ЗБС) биологического факультета МГУ. Была основана еще в 1908 году. Расположена на берегу Москва-реки, неподалеку от Звенигорода. С тех пор здесь проходили практику тысячи молодых биологов, в том числе и некоторые редакторы нашего журнала.

Та самая двойная спираль

Если представить живую клетку как город, то метро, фонари, магазины с едой, компьютеры и лифты, кухонные плиты и заводы — всё это состояло бы из белков и работало только с их помощью. Необыкновенная сложность белковых молекул позволила эволюции придать им почти безграничное множество функций и создать из них механизмы, копирующие клеточную ДНК, включающие и выключающие гены; молекулы-моторы, помогающие растащить хромосомы между дочерними клетками во время деления; катализаторы химических реакций и много чего еще.

Понимание того, как устроены белки, каким образом работает их структура — одна из важнейших задач, которую биологи решают на протяжении последних десятилетий.

До того как Вютрих начал применять для исследования строения белков ЯМР-спектроскопию, биохимики пользовались методом рентгеновской кристаллографии. С ее помощью в середине XX века три величайших биолога Морис Уилкинс, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик выяснили, что ДНК — двойная спираль, и провели первые эксперименты по определению структуры белков. Работает этот способ примерно так: проходя через кристалл белка, рентгеновские лучи отклоняются и превращаются в группу пятен разного размера. По интенсивности пятен можно восстановить расположение атомов в кристалле, то есть построить приблизительную трехмерную модель.

Нобелевский лауре­ат Вютрих в научной среде — звезда первой величины. В жизни он простой и скромный человек.

Главный недостаток этого метода состоит в том, что при его помощи трудно изучать те белковые структуры, где разные части молекулы постоянно движутся, словно на шарнирах.

ЯМР-спектроскопия позволяет не просто создать кристаллическую модель белковой структуры, но и увидеть ее устройство: определить расстояния между соседними атомами, изучить расположение межатомных связей, которые не меняются при вращении разных частей молекулы.

Ядерная магниторезонансная (ЯМР) спектроскопия. Эффект ядерного магнитного резонанса был открыт в 1938 году Исидором Раби, за что в 1944 году он получил Нобелевскую премию. Чуть позже Феликс Блох и Эдвард Парселл получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твердых телах (Раби использовал только молекулярные пучки), за это в 1952 году им тоже дали Нобелевскую премию. Одного из главных преимуществ ЯМР-спектроскопии — возможность быстро и точно получать информацию о структуре органических молекул и их превращениях.

Несостоявшийся учитель физкультуры

— Настоящая научная работа у меня началась тогда, когда я собирался совсем ее оставить, — рассказывает Курт Вютрих. — Я уже закончил изучать химию, физику и математику в Бернском университете в Швейцарии и мечтал стать школьным учителем физкультуры или тренером в профессиональном спорте. Когда я был студентом, то очень серьезно тренировался по 25 часов в неделю, практиковался в самых разных видах спорта: беге, плавании, лыжах, коньках, спортивной гимнастике. Подрабатывал инструктором на горнолыжном курорте. А потом меня отправили на стажировку в США — изучать американский спорт. Там я устроился в Калифорнийский университет в Беркли и даже немного занимался квантовой физикой, по вечерам проводил разные опыты. Выходили отличные результаты…

В свои 76 лет Курт Вютрих успешно руководит лабораториями в Швейцарии, США, Китае и Бразилии и бодро разъезжает по миру, читая научно-популярные лекции.

Серьезные ученые эти результаты заметили и пригласили Вютриха на работу в престижный исследовательский центр Bell Laboratories. Там увлечение спортом подсказало швейцарскому химику направление одного из первых исследований, принесших ему известность: изучение структуры гемоглобина — белка, отвечающего за перенос кровью кислорода.

— В Bell Labs было много суперсовременных приборов и компьютеров, которые открывали невероятные исследовательские возможности. Я решил изучать свою же кровь, — вспоминает ученый. — Хотел понять, как можно повысить выносливость спортсменов. Она ведь зависит от того, насколько эффективно кровь транспортирует кислород в ткани организма, то есть от уровня гемоглобина, иначе говоря, от насыщенности крови эритроцитами. Вот я и стал исследовать свой гемоглобин.

Bell Laboratories. Очень-очень крутая частная лаборатория. Один из ее основателей — Александр Белл, тот самый, который телефон изобрел. Но телефоном дело не кончилось — ученые Bell Labs были удостоены семи Нобелевских премий.

Опасный самодопинг

— Тогда, в 60-е годы, я был в отличной форме. Как раз начал высотные тренировки: поднимался в горы на две тысячи метров и бегал там по несколько часов в день. Из-за недостатка кислорода в крови повышалось количество эритроцитов. Когда я спускался, уровень эритроцитов еще не успевал прийти в обычное состояние, кровь была насыщена гемоглобином, и я побеждал на соревнованиях, — Вютрих мечтательно задумывается.

— Но эффекта хватало ненадолго?

— Это верно. Поэтому я стал заниматься чаще — буквально каждый день в течение шести месяцев на той же высоте. А раз в две недели сразу после тренировки сдавал по пол-литра крови и замораживал ее. Потом перед соревнованиями переливал эту кровь самому себе. И снова брал первые места на велогонках или в состязаниях по бегу. Такая процедура называется самодопингом.

— Это же очень опасно. Вам на новой работе предложили этим заниматься?

— Я это сам придумал. Никто никогда не пробовал изучать гемоглобин при помощи ЯМР-спектроскопии. Людям это даже в голову не приходило. Поначалу всё выглядело совершенно непрофессионально: я брал у себя кровь, выделял гемоглобин — это очень просто — и относил его в Bell Labs, там был ЯМР-спектроскоп. Результаты были потрясающие. Я год занимался этими экспериментами, а потом начал ставить их в Федеральном технологическом институте в Цюрихе, когда вернулся в Швейцарию. Шаг за шагом я сделал множество любопытных открытий. Меня пригласили в антидопинговый комитет — я выяснял, какие спортсмены занимаются самодопингом, а какие побеждают по-честному.

— По сути, вы доказали, что структуру белков можно изучать не только посредством кристаллографии, но и с помощью ЯМР?

— Когда я начал работать с гемоглобином, общие очертания его молекулы уже были известны — как раз благодаря работе кристаллографов. Они сумели получить структуру с низким разрешением, где не были видны только отдельные атомы. Эти данные были огромным подспорьем для моей работы — мне оставалось только точно вычислить место расположения этих атомов. Но когда понадобилось определить строение нового неизвестного белка, я оказался в тупике, это было в конце 1970-х. Одним из главных ограничений были компьютеры. Вычисления, занимавшие тогда целый день, сегодня укладываются в одну секунду. Компьютерной памяти тоже не хватало. Чтобы хранить данные ЯМР-анализа — чтобы эти данные вообще можно было ввести в компьютер, — мне с математиками пришлось разрабатывать специальные алгоритмы сжатия информации.

— Как удалось выйти из тупика?

— Просто продолжал эксперименты. Они давали новые важные результаты по динамике белков. Это поддерживало меня психологически, давало силы для дальнейшего поиска решений. Удалось выяснить, что молекулы белков гораздо более гибкие, чем считалось ранее. Но, конечно, главной моей задачей было не решение частных вопросов, а определение структуры больших белков с нуля, без дополнительной информации. Такая работа стала возможна только ближе к 90-м годам, когда существенно выросла производительность компьютеров. Я смог загружать в него ЯМР-спектры напрямую, без сжатия информации — это в разы ускорило вычисления. Прогресс продолжается: сегодня для меня бесполезны компьютеры уже 2000 года выпуска — приходится работать с еще большим количеством данных.

Зародыш, трансплантация и прионы

— Я биологов не люблю. Им не хватает физического и математического образования. Вот физики легко вникают в биологию, а наоборот получается плохо. Мне крупно повезло: я не прослушал ни одной лекции на эту тему, — самоуверенно кидает Вютрих.

— Но вам же пришлось разобраться в биологии, чтобы понять, насколько важный вклад в эту науку вы внесли.

— По сути, я открывал то, что хотели, но не могли открыть биологи. И чтобы оценивать значимость своей работы, мне нужно было, конечно, разобраться в некоторых вопросах. Но всё это были частные проблемы, на глубокое изучение которых мне хватало пары недель чтения. Самым трудными оказались разговоры со специалистами. Понимаете, из книг и статей можно почерпнуть много фактов, но необходимо еще понять, какие из них по-настоящему важны. Поэтому я начал плотно сотрудничать с биологами и врачами, выясняя у них то, что мне было нужно.

На Звенигородской биостанции. Слева — декан биофака МГУ академик Михаил Кирпичников.

— Помнится, вы помогали фармацевтическим компаниям и врачам разбираться с проблемой отторжения органов при трансплантации.

— Да, лет тридцать назад. Это была грандиозная задача, в которую фармацевтические компании вложили миллионы долларов. Отторжение при пересадке — это когда иммунная система больного распознает пересаженный орган как чужой и убивает его. Чтобы этого избежать, после операции пациентам дают препараты, угнетающие работу иммунной системы. Одним из первых стал циклоспорин, сделавший возможной трансплантацию почек и сердца. При этом ни его структура, ни механизм работы не были известны. Я был одним из первых, кому удалось определить структуру молекулы циклоспорина, в комплексе с другой молекулой — его клеточным партнёром-белком.

И меня тут же пригласили с пленарным докладом на конгресс врачей-иммунологов! Тогда я девять дней подряд практически без сна читал медицинские статьи, чтобы хоть как-то понять, чем занимаются врачи, и суметь ответить на их вопросы.

Циклоспорин
Препарат, который подавляет иммунитет и используется для профилактики отторжения пересаженных органов при трансплантации.

Примерно в то же время Курт Вютрих совершил еще один прорыв в медицине. Ему удалось определить структуру гомеобокс-белка, от которого зависит развитие эмбриона.

— Многие ученые пытались определить структуру гомеобокс-белка методом кристаллографии, но у них ничего не получалось. Белок упорно не хотел образовывать кристаллы, — вспоминает Вютрих. — Я считаю, мне крупно повезло, что такой интересный белок оказался не по зубам кристаллографам. Ведь в результате сам профессор биологии Вальтер Геринг, открывший гомеобокс, принес пробирку с раствором этого белка ко мне в лабораторию! И через шесть недель при помощи ЯМР-спектроскопии я получил его точную структуру. Теперь весь научный мир знает, как белки регулируют развитие зародыша в утробе матери и почему оно может нарушаться.

— Таким образом вы показали, как зарождается жизнь. Но и то, как выглядит смерть, вы тоже объяснили…

Гомеобокс-белок
При формировании любого зародыша, будь то человек или кот, этот белок регулирует работу разных генов. Одни отвечают за то, чтобы у эмбриона была голова, другие — чтобы появились конечности.

— Я узнал, как выглядит коровья смерть. Это точно. Никто раньше не мог понять, как устроен прион — белок, вызывающий коровье бешенство. Оказалось, что он состоит из двух частей: одна его половина представляет собой жесткую трехмерную структуру, а вторая деструктурирована и мобильна. Это позволило понять, почему прогрессирует болезнь у зараженных животных.

Позже мы с коллегами помогли биологам еще и с исследованием вируса SARS. Это очень опасный для человека острый респираторный синдром, иначе его называют атипичной пневмонией. В начале 2000-х была страшная паника по всему миру. Никто не знал, как эту болезнь лечить, умирало немало людей, и все боялись пандемии. Нам тогда дали большой грант на определение структуры всех 28 белков вируса, работающих в инфицированной клетке, при помощи кристаллографии и ЯМР-спектроскопии. Но в ходе работы выяснилось, что эти белки не поддаются кристаллизации. Фактически все структуры были определены за счет ядерного магнитного резонанса. И вот когда мы установили, что представляет собой этот вирус, меня и коллег стали звать на конференции и встречи не только биологи и врачи, но и политики.

— А ведь когда-то все твердили, что использовать ЯМР для определения белков в принципе невозможно.

— Тогда я понял, что эта работа как раз для меня… — смеется Вютрих. — Я решил всё сам попробовать и проверить. Можно сказать, меня взяли на «слабо».

—И напоследок, я хочу спросить про популяризацию науки. Это вообще решаемая задача? Нужно ли рассказывать людям о вещах, по-настоящему понять которые можно только после многих лет изучения, не будет ли это профанацией?

— В моей работе мне очень часто приходится сталкиваться ровно с той проблемой, о которой вы говорите: как рассказать о своей работе неспециалистам. Особенно сейчас, когда, кроме моих лабораторий в Швейцарии и в Калифорнии, я руковожу новой лабораторией в Рио де Жанейро и ещё одной в Шанхае, где мы строим большой институт. Мне приходится рассказывать о работе разным людям — это могут быть политики, или ученые, работающие в другой области, а могут — обычные телезрители или школьники старших классов.

На мой взгляд, популяризация науки — хитрая штука. Самое главное — нельзя врать и рассказывать сказки про то, как мы вылечим все болезни через пять лет. А чтобы сделать рассказ увлекательным, помогают разные приёмы. Приведу пример из моего опыта. Когда в 1970-е годы мы определили самые первые структуры белков, большинству людей было очень трудно представить себе, как они выглядят, а создать их трёхмерное изображение автоматически было невозможно — не хватало мощности компьютеров. Тогда мы наняли художников, чтобы нарисовать эти структуры, и их рисунки, напечатанные в популярном научном журнале Scientific American, дали множеству неспециалистов интуитивное ощущение того, как выглядят белки — ведь это же просто красиво!

Прионы
Особый класс инфекционных агентов. Вместо микробов — белки с аномальной пространственной структурой, которые, попадая в организм, начинают превращать другие белки в себе подобные. У коров они вызывают губчатую энцефалопатию («коровье бешенство»), а у людей — болезнь Крейтцфельдта – Якоба, фатальную семейную бессонницу, болезнь куру и еще несколько смертельных недугов.
Источники

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №4 (06) за апрель 2015 г.

Иллюстрации

Евгений Пашнин