1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука и техника

Нобелевская премия 2008 года по химии

27.10.2008

В эфире – последняя, третья передача из цикла, посвящённого Нобелевским премиям 2008-го года в области естественных наук. О работах, удостоенных премий по медицине и по физике, мы подробно рассказали в 2-х предыдущих передачах, сегодня же речь пойдёт об исследованиях, отмеченных премией по химии. Наметившаяся в последние годы тенденция превращения Нобелевской премии по химии в премию по биохимии или даже в своего рода ещё одну премию по медицине нашла продолжение и в нынешнем году. В очередной раз получил подтверждение тот факт, что присуждение естественнонаучных нобелевских премий в жёстко разграниченных областях – медицине, физике и химии – сегодня является явным анахронизмом. Ведь наиболее интересные и перспективные научно-исследовательские работы выполняются либо на стыке традиционных дисциплин, либо в нескольких дисциплинах сразу. Так что размывание границ между Нобелевскими премиями по медицине, физике и химии вполне закономерно и не должно вызывать удивления.

Итак, Шведская королевская академия наук поделила премию 2008-го года по химии поровну между тремя учёными: работающим в США японцем Осаму Симомурой (Osamu Shimomura) и двумя американцами – Мартином Чалфи (Martin Chalfie) и Роджером Цянем (Roger Tsien).

Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, премия присуждена за открытие и дальнейшую разработку зелёного флуоресцентного протеина GFP. В том, что это такое, мы и попробуем теперь разобраться, призвав на помощь самих лауреатов, а заодно и познакомимся с ними поближе.

Самый старший из троицы – 80-летний Осаму Симомура. Он родился 27-го августа 1928-го годо в Киото. Детство и юность провёл в Манчжурии и в Осаке, где служил его отец-военный. Затем семья переехала в окрестности Нагасаки, и там 9-го августа 1945-го года Симомуре довелось пережить взрыв американской атомной бомбы. Учёный вспоминает:

Я находился примерно в 12-ти километрах от Нагасаки. Конечно, я увидел ослепительную вспышку и почувствовал сильную ударную волну, а потом на меня пролился радиоактивный чёрный дождь, так что я получил довольно большую дозу облучения. К тому же от яркой вспышки я ослеп. Но через пару недель зрение восстановилось. И с радиацией тоже всё обошлось. Мне повезло: я всё ещё жив.

Заняться научной деятельностью Симомуре удалось далеко не сразу, тем более что ситуация в Японии после поражения во Второй мировой войне не слишком располагала к такого рода занятиям. Хотя в 1951-м году Симомуре удалось всё же окончить университет в Нагасаки и получить степень бакалавра в области фармакологии, он несколько лет не мог устроиться на работу. Наконец, в 1956-м году Йосимаса Хирата (Yoshimasa Hirata), профессор университета в Нагое, взял Симомуру к себе ассистентом для реализации проекта, который он сам считал малоперспективным, а потому не хотел обременять им своих аспирантов. Симомуре было поручено из перемолотых фрагментов ракушковых рачков изолировать люминесцентный пигмент, который при смачивании водой начинал светиться. До Симомуры эту задачу безуспешно пытались решить несколько исследователей, но молодой ассистент с ней справился и в 1958-м году получил степень магистра в области органической химии. Публикация об этом пигменте – белке люциферине – привлекла внимание видного американского учёного – профессора Принстонского университета Фрэнка Джонсона (Frank Johnson), и он пригласил Симомуру на работу в США. Перед самым отъездом из Японии в 1960-м году Симомура ещё успел получить степень почётного доктора в университете Нагои. Перебравшись в Принстон, штат Нью-Джерси, Симомура взялся за изучение обитающей у западного побережья Северной Америки медузы Aequorea victoria. Эта небольшая, обычно не превышающая 10-ти сантиметров в диаметре, прозрачная медуза обладает одной примечательной особенностью: край её колокола в темноте светится. Биологи до сих пор гадают, какую роль играет в жизни животного это свечение – то ли привлекает добычу, то ли отпугивает врагов. Так или иначе, Симомура решил разобраться в механизме этого свечения. После того, как он разработал метод извлечения светящегося вещества из ткани медузы, ему понадобилось большое количество опытного материала, и он отправился на охоту вместе с семьёй – женой, сыном и дочерью:

Мы отлавливали гигантское количество этих медуз в заливе Фрайдей-Харбор, штат Вашингтон, – каждое лето на протяжении 19-ти лет. Сезон охоты длился от одного до двух месяцев, за это время мы успевали поймать примерно 50 тысяч особей. Таким образом, мы в общей сложности отловили около миллиона медуз.

Из летнего улова – двух с половиной тонн медуз – удавалось получить менее одного грамма нужного исследователям вещества. Но Симомуре этого хватило, чтобы уже в 1961-м году изолировать из тканей медузы один светящийся белок. Но это был ещё не тот белок, за открытие которого учёный удостоился теперь Нобелевской премии:

Люди часто путают люминесценцию с флуоресценцией. В медузе оказалось два светящихся белка. Одни – люминесцентный, он получил название «экворин». А второй – зелёный флуоресцентный. Вот за него-то мне и дали премию.

Действительно, если биолюминесценция – это способность живых организмов светиться самостоятельно, то биофлуоресценция – это способность организмов светиться под воздействием внешнего освещения. Выделенный Симомурой люминесцентный белок экворин излучал синий свет, максимум интенсивности которого приходился на длину волны 465 нанометров. А живая медуза светилась зелёным светом с пиком длин волн в районе 508 нанометров. Оказалось, что в тканях медузы есть и второй белок, который под действием ультрафиолетового света испускает зелёный свет. Надо сказать, тогда это было сугубо фундаментальное открытие в области чистой биохимии, не имеющее ни малейшего прикладного значения. Профессор Симомура этого не скрывает:

Я не знал, какое применение может быть у этого белка, до тех пор, пока Чалфи в 1994-м году не открыл, что живые клетки можно заставить синтезировать его. Я же долгие годы понятия не имел, что делать с зелёным флуоресцентным протеином.

Симомура посвятил свою дальнейшую научную деятельность фундаментальным биохимическим исследованиям – в частности, он определил состав и структуру обоих светящихся белков. С 1980-го года и до выхода на пенсию в 2001-м году профессор Симомура вёл исследования в Вудсхоулской лаборатории биологии моря, штат Массачусетс. Несмотря на свой преклонный возраст, Симомура и сегодня продолжает научные изыскания, оборудовав лабораторию в подвале собственного дома.

Мартину Чалфи – 61 год. Он родился 1-го февраля 1947-го года в Чикаго. В 1965-м году Чалфи поступил в Гарвардский университет на математический факультет, однако вскоре переориентировался на биохимию, поскольку в ней сочетались математика, химия и биология – предметы, вызывающие у него наибольший интерес. Впрочем, он также посещал лекции по юриспруденции, театральному искусству и русской литературе, а кроме того, всерьёз увлёкся спортивным плаванием и даже стал капитаном университетской команды. Защитив диплом в 1969-м году, Чалфи год преподавал в школе в штате Коннектикут, а затем год проработал в биохимической лаборатории Йельского университета. После этого Чалфи вернулся в Гарвард и в 1977-м году защитил докторскую диссертацию. Несколько лет исследователь провёл в Англии, в знаменитой Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже, где совместно с двумя видными учёными, будущими нобелевскими лауреатами Сидни Бреннером (Sidney Brenner) и Джоном Салстоном (John Sulston), изучал нематоду Caenorhabditis elegans. Этому маленькому прозрачному червячку, который широко используется сегодня в качестве модельного организма в биологических и генетических лабораториях всего мира, Чалфи остался верен на долгие годы. С ним связано и исследование, удостоенное теперь Нобелевской премии. В 1982-м году Чалфи вернулся из Англии в США и поступил на работу в Колумбийский университет в Нью-Йорке. Там он ведёт свои исследования и сегодня. Звонок из Стокгольма Чалфи просто проспал, так что Нобелевский комитет известил его о присуждении премии электронным письмом. Однако и свою почту новоиспечённый лауреат читать не спешил:

Я проснулся в 6:10 утра и вспомнил, что к этому времени уже должны быть известны лауреаты премии по химии. И я подумал: "Ну ладно, посмотрим, какому хмырю на сей раз досталась награда?" Я включил свой лэптоп, залез в Интернет на сайт Нобелевского комитета и обнаружил, что этот самый хмырь – я. Не скрою, это был приятный сюрприз.

История открытия, удостоенного премии, тоже не лишена занимательности. Случайным его, конечно, не назовёшь, однако оно могло быть сделано гораздо раньше и вообще состоялось в значительной мере благодаря благоприятному стечению обстоятельств. Чалфи вспоминает:

Я впервые услышал о зелёном флуоресцентном протеине на семинаре в начале 1989-го года. Я стал выяснять, кто изучает этот белок и не могу ли я его как-то использовать, и вышел на Даглас Прашера (Douglas Prasher). Мы с ним побеседовали по телефону, у него был ряд интересных идей, он к тому времени успел клонировать ген экворина и теперь намеревался заняться клонированием гена зелёного флуоресцентного протеина. Мы договорились о сотрудничестве, его тоже интересовало, удастся ли этот белок внедрить в нематоду С aenorhabditis е legans . Но случилось так, что реально такое сотрудничество состоялось только в 1992-м году. Мы получили клоны от Дагласа, и мой студент-дипломник, Гия Юскёркен (Ghia Euskirchen), внедрил их в энтеробактерию Escherichia coli, так что уже через месяц у нас была флуоресцирующая зелёным светом бактерия.

Кишечная палочка "Эшерихия коли" – ещё один из широко распространённых модельных организмов учёных, излюбленный объект микробиологических и молекулярно-генетических исследований. Но почему работа застопорилась почти на 2 года?

Проволочка была связана с тем, что вскоре после моего телефонного разговора с Дагласом Прашером я женился. Моя жена была профессором в университете штата Юта. Я решил взять годовой отпуск и на это время переехал в Юту, чтобы мы могли быть вместе. За это время Даглас успешно завершил клонирование и попытался связаться со мной. Он позвонил в мою лабораторию в Колумбийском университете, и ему там дали телефон в Юте. А когда он позвонил туда, там кто-то снял трубку и сказал, что никакого Чалфи не знает. И тогда Даглас Прашер решил, что я бросил науку и что меня его работа уже не интересует.

Но потом ситуация прояснилась. Чалфи наткнулся на публикацию Прашера, снова связался с ним, и работа пошла полным ходом. Но тут возникает вопрос: почему, несмотря на проволочку, никто не опередил Чалфи? Может, никто и не пытался?

Некоторые люди пытались. Я потом специально выяснял этот вопрос и нашёл, по меньшей мере, троих исследователей, которые пытались заставить этот зелёный флуоресцентный протеин работать. Но чтобы это получилось, надо было учесть одно обстоятельство, о чём в то время никто не знал. Было лишь известно, что протеин начинает светиться, потому что видоизменяется его пептидная структура. Но какой механизм запускает эти изменения, было неясно. Один фермент, или два, или четыре, или сто? Однако все исходили из того, что само по себе, автоматически, это не сработает. А когда это и в самом деле не сработало, все пришли к выводу, что это, скорее всего, вообще невозможно. Но потом оказалось, что они недостаточно точно вырезали нужный фрагмент ДНК из клона, присланного Дагласом. На концах фрагмента оставались ещё лишние нуклеотиды, и они действовали как яд, как тормоз. Мы же использовали иную методику, которая размножала именно тот фрагмент, который был нам нужен. И это сработало. Нам повезло.

Прежде всего, Чалфи интересовало, куда именно перемещается зелёный флуоресцентный протеин внутри клетки после того, как он синтезирован внедрённым геном медузы. Учёный разработал методику внедрения гена зелёного флуоресцентного протеина в клетки своего любимого модельного организма – нематоды Caenorhabditis elegans, – окрасив этим белком шесть различных видов клеток этого червя. Именно эта методика и заложила основу сегодняшнего применения зелёного флуоресцентного протеина в биохимических исследованиях в качестве маркера. Отталкиваясь от методики Чалфи, исследователи научились помечать молекулами флуоресцентного белка молекулы других, интересных для них, но невидимых белков, что позволило им следить за положением и перемещением этих молекул и регистрировать их взаимодействие. Причём сегодня учёные используют уже не только зелёный флуоресцентный протеин, но и белки, флуоресцирующие чуть ли не всеми цветами радуги. В распоряжении исследователей имеются и жёлтые, и синие, и красные белковые маркеры, а это даёт возможность следить за течением сразу нескольких различных биологических процессов одновременно. Используя этот приём, медики смогли добиться значительных успехов в изучении, например, болезни Альцгеймера или механизма образования инсулинпроизводящих клеток в поджелудочной железе развивающегося в утробе матери человеческого эмбриона. Но это уже, в основном, заслуга третьего, самого младшего из лауреатов нынешнего года – Роджера Цяня. 56-летний Роджер Цянь, американец китайского происхождения, родился 1-го февраля 1952-го года в Нью-Йорке, а детство и юность провёл в Ливингстоне, штат Нью-Джерси. Если верить американской версии онлайн-энциклопедии "Википедия", Цянь происходит из императорской династии и является в 34-м поколении потомком императора Цянь Лю. Так или иначе, многие родственники нобелевского лауреата – отец, дядя, племянник, брат – добились большого успеха на научном или техническом поприще. Сам Роджер увлёкся химией ещё в школе и начал ставить опыты дома. Он поступил в Гарвардский университет, где изучал физику и химию и в 1972-м году получил степень бакалавра, а затем уехал в Великобританию и в 1977-м году защитил докторскую диссертацию в Кембриджском университете. Цянь проработал в Кембридже до 1981-го года, а затем вернулся на родину. С 1982-го по 1989-й годы он вёл научные исследования в Калифорнийском университете в Бёркли, а с 1989-го года и по сегодняшний день является профессором фармакологии и профессором химии и биохимии Калифорнийского университета в Сан-Диего. Именно здесь Цянь внёс свой весомый вклад в изучение механизма флуоресценции протеинов, а также существенно расширил их цветовую палитру. Кстати, он не только добился значительных успехов в научно-исследовательской и преподавательской работе, но и оказался хорошим бизнесменом: Цянь владеет более чем 60-ю патентами, в том числе на флуоресцентные протеины разных цветов.