Нобелевская премия по химии за 2006 год
В эфире – последняя, третья передача из цикла, посвящённого исследователям, удостоенным в 2006-м году Нобелевских премий в области естественных наук. О лауреатах премий по медицине и физике мы уже рассказывали, сегодня речь у нас пойдёт об учёном, получившем премию по химии. Следует отметить, что в нынешнем году премии по медицине и химии присуждены за научные работы в одной и той же области – биологии клетки. Собственно говоря, эта тенденция – превращение премии по химии в премию по биохимии или даже в своего рода ещё одну премию по медицине – прослеживается уже давно: в 2004-м году Нобелевский комитет присудил награду по химии за открытие механизма деградации белков, в 2003-м – за изучение водных и ионных каналов в клеточной мембране, в 2002-м – за разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул. Чем вызвана такая тенденция, в общем-то, понятно. С одной стороны, жизнь представляет собой каскады биохимических реакций, то есть является результатом взаимодействия отдельных атомов и молекул, а ведь эта область всегда составляла классическую сферу интересов химиков; однако их инструментарий за последние годы стал настолько более совершенным, что позволил глубже проникнуть взглядом в сложные биологические процессы. С другой стороны, очевидно, что присуждение премий в жёстко разграниченных областях – медицине, физике, химии, – является анахронизмом – уже хотя бы потому, что наиболее интересные и перспективные научно-исследовательские работы выполняются сегодня либо на стыке традиционных дисциплин, либо в нескольких дисциплинах сразу. Так что размывание границ между премиями по медицине и по химии вполне закономерно и уже не вызывает удивления.
А вот то, что Нобелевский комитет присудил в нынешнем году премию по химии за совсем свежую работу, опубликованную всего 5 лет назад, весьма необычно. Необычно и то, что премия досталась не двум или трём учёным, как это бывает почти всегда, а одному. Этот учёный – американский биохимик Роджер Корнберг.
Роджеру Дейвиду Корнбергу (Roger David Kornberg) 59 лет. Он родился 24-го апреля 1947-го года в Сент-Луисе, штат Миссури, где в это время учился в аспирантуре Вашингтонского университета его отец, впоследствии знаменитый биохимик Артур (Arthur) Корнберг. Роджер был старшим из трёх братьев и с детства проявлял живой интерес к науке. Его отец вспоминает:
Когда Роджер был ещё совсем маленьким, я брал его иногда по выходным с собой в лабораторию. Ему было всего лет 7 или 8, но когда мы спросили его, что он хотел бы получить в подарок на Рождество, он, не задумываясь, ответил: «Провести в лаборатории всю неделю!»
В 12-летнем возрасте Роджеру довелось побывать в Стокгольме на церемонии вручения Нобелевской премии: высшая научная награда по медицине была присуждена его отцу «за открытие механизмов биологического синтеза РНК и ДНК». В том же 1959-м году семья переехала в Пало-Альто, штат Калифорния, где профессор Корнберг-старший возглавил кафедру биохимии Стэнфордского университета. Он работает там и сегодня, хотя и не так активно, как раньше: ведь ему уже 88 лет. Сюда же, закончив в 1967-м году Гарвардский университет в Кеймбридже, штат Массачусетс, поступил в аспирантуру и Роджер. Защитив диссертацию в 1972-м году, он на несколько лет уехал в Великобританию, где работал в Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже. По возвращении на родину Роджер Корнберг 2 года преподавал и вёл научные исследования на медицинском факультете Гарвардского университета, а начиная с 1978-го года и по сегодняшний день работает профессором на кафедре структурной биологии Стэнфордского университета. Он руководит группой молодых исследователей, в которую, помимо американцев, входят шведы, мексиканцы, китайцы и японцы. Здесь и были выполнены те самые работы, которые удостоились теперь Нобелевской премии. Профессор Патрик Крамер (Patrick Cramer) из Мюнхенского центра генетических исследований, несколько лет работавший в лаборатории новоиспечённого лауреата, говорит:
Роджер, безусловно, выдающийся учёный. Отличный специалист, профессионал в высшем смысле этого слова, и замечательный стратег. То есть он понимает, какие из невыясненных вопросов наиболее важны, и концентрируется на них. Но он обладает и ещё одним чрезвычайно важным качеством: харизматического лидера. Он умеет увлечь за собой людей из своей группы. Следует также отметить, что он предоставляет им очень большую свободу. Для кого-то, наверное, это не оптимально, но Роджер подбирает себе сотрудников, способных работать в значительной степени самостоятельно, и обеспечивает им возможность в полной мере проявить себя. Это очень ценное качество научного руководителя.
Наряду с работой в Стэнфорде профессор Корнберг каждый год проводит 4 месяца в Израиле, читая там лекции и руководя научными исследованиями в Еврейском университете в Иерусалиме.
Интерес к генетическим исследованиям в большой и дружной семье Корнбергов, похоже, заложен в генах: средний сын Артура Корнберга – Томас (Thomas) – также совершил ряд открытий в этой области и является сегодня профессором генетики Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Младший из трёх братьев – Кеннет (Kenneth), – хоть и стал архитектором, но специализируется в области дизайна лабораторных помещений. А в Стэнфордском университете между тем сегодня представлено уже 3-е поколение Корнбергов: старший сын новоиспечённого нобелевского лауреата учится здесь на 3-м курсе. Ешё двое детей профессора ходят пока в школу.
А теперь самое время обратиться к открытию, удостоенному премии. Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, она присуждена «за исследования молекулярных основ процесса транскрипции у эукариотов».
Напомню, что эукариоты, или эвкариоты – это организмы, обладающие, в отличие от прокариотов, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. В ядре расположены хромосомы, в которых заключён генетический материал таких организмов. А транскрипция – это процесс считывания и копирования генетической информации, заключённой в молекуле ДНК. Дело в том, что эта информация сама по себе, можно сказать, мертва. Роджер Корберг поясняет:
Информация – это важная вещь, однако решающее значение имеет всё же её применение в нужном месте и в нужное время.
Основой жизни генетическая информация становится только тогда, когда служит руководством по синтезу белков – ведь именно белки регулируют всю деятельность клетки, а в многоклеточном организме – и всего организма в целом. Но синтез белков осуществляется вне клеточного ядра, в органоидах цитоплазмы, которые именуются рибосомами. Следовательно, важнейшим этапом производства белка в клетке является транскрипция – считывание информации, заключённой в ДНК, и изготовление рабочей копии, матрицы в виде молекулы РНК, которая доставляется из ядра в рибосому. Весь этот чрезвычайно сложный процесс осуществляется комплексом ферментов под названием РНК-полимераза.
Профессор Александр Тараховский, биолог и генетик, научный сотрудник Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, поясняет:
Роджер Корнберг является одним из пионеров в этой области, которые показали, что для прочтения генетической информации в клетке существует целая ферментативная машина. Причём она осуществляет это прочтение генетического кода, записанного в ДНК, практически побуквенно. При этом обеспечивается копирование информации, заключённой в генах, и перевод её в информацию, заключённую в РНК. РНК затем попадает в клеточную цитоплазму, где на её основании синтезируются белки. На протяжении последних 20-ти лет многие учёные пытались понять, как конкретно этот процесс происходит. Ведь в каждом клеточном ядре заключено около 2-х метров ДНК. Понятно, что молекула ДНК чрезвычайно плотно упакована в специальные структуры, которые позволяют сохранять всю эту генетическую информацию. Вы только представьте себе уровень этой компактности! Тем не менее, несмотря на столь высокую плотность упаковки ДНК, РНК-полимераза в состоянии прочитывать эту информацию. Для реализации этого процесса существует целая система технической помощи, если можно так сказать, которая позволяет как бы проталкивать эту РНК-полимеразу вдоль генов, упакованных в специальную защитную структуру, которая предотвращает их повреждение и определяет уровень их активности. Корнберг посвятил всю свою научную карьеру выяснению вопроса, как эта РНК-полимераза работает, как она двигается вдоль ДНК, как она прочитывает информацию с генов и каков механизм, обеспечивающий столь высокую точность прочтения, несмотря на предельную плотность упаковки ДНК в ядре. Понимание этого процесса важно не только с практической точки зрения, но это один из самых главных секретов жизни – каким образом информация, заключённая в клетке, прочитывается и потом транслируется. Вполне естественно, что эти эксперименты заслужили Нобелевскую премию.
Свои эксперименты Роджер Корнберг проводил на пекарских дрожжах – как известно, в биологическом отношении это одноклеточные грибы-эукариоты. Однако оказалось, что процесс транскрипции в этих простейших организмах почти ничем не отличается от процесса транскрипции в более сложных организмах, включая и человека. Профессор Корнберг говорит:
Это сходство оказалось гораздо более значительным, чем мы могли себе представить. Выбирая в качестве модельного организма дрожжи, мы исходили из имевшейся тогда информации, которая заставляла предположить наличие весьма существенных различий между всеми ключевыми, основополагающими процессами в клетках дрожжей и, скажем, в клетках человека. Но, как я уже говорил, сходство оказалось поистине поразительным. Прежде всего, главная молекула – эта самая РНК-полимераза, которая и осуществляет весь процесс транскрипции, – практически идентична у всех эукариотов, будь то животные, растения или грибы. Но это ещё не всё. Оказалось, что и разного рода молекулярные подсобные механизмы клетки, помогающие РНК-полимеразе в осуществлении её функции, также очень похожи – что у дрожжей, что у человека. Различия касаются прочитывания тех генов, которые есть у человека и отсутствуют у дрожжей. Но сама транскрипция, которую мы изучали, – это фундаментальный процесс, функционирующий в отношении всех генов, где бы они ни находились.
Уже один этот результат вполне мог бы послужить основанием для присуждения Нобелевской премии, однако Роджер Корнберг на достигнутом не остановился. Профессор Тараховский поясняет:
Гигантская заслуга Корнберга заключается не только в том, что он понял, как этот процесс происходит, и охарактеризовал его в деталях, но ещё и в том, что он предпринял совершенно героические усилия для того, чтобы создать физический образ этого процесса. А для этого ему пришлось создать кристаллы белков, участвующих в процессе считывания ДНК. И лишь после того, как, используя очень сложнейшие методы современной физики, Корнберг создал эти кристаллы, он понял, каким образом эта РНК-полимераза «садится» на ДНК, каким образом она двигается вдоль ДНК, и что обеспечивает столь высокую степень точности всех этих процессов считывания информации генов.
Между тем, тот ферментативный комплекс, о котором идёт речь, чрезвычайно сложен. Роджер Корнберг говорит:
Машина, которую мы изучали, содержит около 60-ти белковых молекул. Каждая белковая молекула состоит из нескольких тысяч атомов. Так что нам пришлось определить местоположение примерно 30-ти тысяч атомов. Важно отметить также, что то, как весь этот комплекс функционирует, действительно напоминает своего рода машину, механизм: он содержит движущиеся части, эти движущиеся части работают согласованно, в строго определённой последовательности, и синхронно. Каждый шаг этого процесса, каждая своего рода технологическая операция весьма существенно отличается от предыдущих и от последующих шагов и операций.
Следует отметить также, что эта машина работает весьма быстро:
Она копирует примерно 10 букв ДНК–РНК в секунду…
и делает это на редкость точно:
Она обеспечивает очень высокое качество, но помимо этого, она содержит внутренние системы проверки правильности считывания и корректировки ошибок, возникающих в процессе работы.
Чтобы изучить состав и пространственную архитектуру столь сложного белкового комплекса, каким является РНК-полимераза, профессор Корнберг использовал методы рентгеновской кристаллографии. Но для этого нужно было молекулы белков перевести в кристаллическое состояние. Этот приём, хоть и получил сегодня довольно широкое распространение, относительно сложен, поскольку биомолекулы крайне чувствительны к таким внешним воздействиям как колебания температуры. К тому же такие кристаллы по консистенции скорее напоминают желе. Кроме того, Корнбергу и коллегам приходилось выращивать довольно крупные кристаллы, а выход готовой продукции был крайне невелик: чтобы получить кристалл, измеряемый долями миллиметра, исследователям требовалось около ста литров дрожжевой культуры. Наконец, стандартные рентгеновские трубки не обеспечивали нужной мощности излучения, так что учёные работали на ускорителе частиц. И им удалось-таки сделать множество моментальных снимков со столь высоким разрешением, что компьютерные расчёты позволили определить позицию каждого отдельного атома.
Понятно, что открытие Роджера Корнберга будет иметь огромное прикладное значение, прежде всего, для медицины. Профессор Тараховский говорит:
Неточности в считывании информации имеют самые драматические последствия для клетки и для организма в целом, потому что если РНК-полимераза не работает, то клетка не способна функционировать и гибнет, если она работает неточно, то в клетке появляются РНК, кодирующие аномальные, нефункциональные белки, и клетка заболевает.