Нобелевские премии в области химии

В среду 9-го октября Шведская королевская академия наук в Стокгольме объявила о том, что одна половина Нобелевской премии 2002 года присуждается американцу Джону Фенну (John B. Fenn) и японцу Коичи Танаке (Koichi Tanaka) «за разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул», а вторую половину премии получает швейцарец Курт Вютрих (Kurt Wüthrich) «за разработку ядерно-магнитной резонансной спектроскопии для определения пространственной структуры биологических макромолекул в растворе».

Его интересует лишь наука – быть функционером он органически неспособен

Несмотря на свой преклонный возраст, Джон Фенн и сегодня продолжает активную научную деятельность. За свою более чем 50-летнюю карьеру учёный запатентовал 19 изобретений, написал одну монографию и опубликовал более сотни научных статей. Джон Фенн родился в Нью-Йорке в 1917-м году. Окончив Йельский университет, штат Коннектикут, и защитив в 1940-м году диссертацию по специальности «химия», он более 10-ти лет проработал в промышленности, а затем получил приглашение в Принстонский университет, штат Нью-Джерси, и переключился на научную деятельность. Начиная с 1967-го года, Фенн вёл исследования и преподавал в своём родном Йельском университете. Время от времени он выезжал читать лекции по химии за границу – в Италии в университете Тренто, в Японии в токийском университете, в Индии в научно-исследовательском центре в Бангалоре, в Китайской академии наук в Пекине. Выйдя на пенсию в 1987-м году, профессор Фенн семь лет спустя переехал в Ричмонд, штат Вирджиния. Там, в Университете Содружества Вирджиния, он и сегодня ведёт научную работу.

По словам Джона Фенна, его хобби – читать, спать и разгадывать кроссворды. Любимые авторы учёного – Шекспир и Уордсворт. Несмотря на преклонные годы, Фенн сохранил активность и бодрость, хотя кое в чём возраст его всё же ограничивает:

- Мне сейчас 85 лет, и организм уже не очень хорошо переносит алкоголь, так что я не могу пить столько, сколько хотел бы.

Фенн женат вторым браком. Первая жена учёного погибла в автомобильной катастрофе в Новой Зеландии. У Фенна пятеро детей и, по его собственному выражению, «целая команда замечательных внуков и внучек».

В учёном мире весть о присуждении Фенну Нобелевской премии была воспринята с единодушным одобрением. Маттиас Манн (Matthias Mann), профессор факультета биохимии и молекулярной биологии университета Южной Дании в Оденсе, вспоминает:

- Я сам не раз ему говорил, что это должно вот-вот произойти. Но, принимая во внимание его возраст, я уже стал было беспокоиться, боялся, что время ушло. Однако, к счастью, всё сложилось удачно. И меня это действительно очень радует.

Маттиас Манн познакомился с Фенном в начале 80-х годов в Гёттингене, потом уехал в США и писал под его научным руководством докторскую диссертацию, так что он отлично знает новоиспечённого лауреата:

- Он исключительно приветливый и, я бы сказал, антибюрократический человек. Его интересует лишь наука – быть функционером он, по-моему, органически неспособен. На протяжении своей карьеры он не раз затевал исследовательские проекты, в успех которых поначалу никто не верил. А потом некоторые из них обернулись Нобелевскими премиями – для других. Ну а теперь, наконец, он и сам удостоен этой награды. И это более чем справедливо.

Нобелевский лауреат без академических степеней

Иной была реакция на присуждение премии Коичи Танаке – самому молодому в троице нынешних лауреатов. Некоторые его коллеги были очень удивлены этим решением Нобелевского комитета: они считают, что вклад японского учёного в развитие биохимии далеко не столь весом, как вклад Фенна, и что их работы никак нельзя ставить на одну доску. Впрочем, следует иметь в виду, что Танака – электроинженер, а не химик, и находить общий язык с химиками ему нелегко.

Коичи Танака родился в 1959-м году в городе Тояма на западном побережье острова Хонсю. Получил инженерное образование, окончив в 1983-м году университет Тохоку. Танака не имеет академических степеней – ни докторской, ни профессорской. 43-летний инженер ведёт научно-исследовательскую работу в отделе аналитических и измерительных приборов корпорации «Shimadzu» в Киото – видного производителя лабораторного оборудования. К числу главных достоинств Танаки относятся скрупулёзность, чёткость и аккуратность, – таково единодушное мнение его коллег. «Его даже по японским меркам можно смело считать трудоголиком», – говорит химик Мартин Реш (Martin Resch), также работающий в корпорации «Shimadzu». По его словам, Танака имеет хобби, которому посвящает немало времени: он собирает научную литературу, систематизирует её, заносит в компьютерные базы данных и предоставляет в распоряжение коллег. А также и сам с ней знакомится. Надо сказать, что спектр интересующих Танаку тем весьма широк – от медицины и биологии до физики и химии. Видимо, такой энциклопедизм и позволил электроинженеру добиться столь впечатляющих успехов в чуждой ему области знаний.

Как функционирует организм на внутриклеточном уровне

Итак, Фенн и Танака делят между собой половину Нобелевской премии «за разработку методов идентификации и структурного анализа биологических макромолекул». Типичными и важнейшими представителями таких молекул являются молекулы белков. Ещё недавно, всего несколько лет назад, главные надежды на успех в борьбе с болезнями учёные связывали с расшифровкой генома. Когда же эта работа была завершена, неожиданно оказалось, что в человеческом организме генов в несколько раз меньше, чем предсказывали специалисты. Учёные исходили из цифры в 120 тысяч, в действительности же количество генов не превышает 30-35 тысяч. Это вынудило исследователей кардинально пересмотреть свои представления о том, как функционирует организм на внутриклеточном уровне.

Ранее они полагали, что каждый из генов отвечает за синтез одного белка, который, в свою очередь, обеспечивает ту или иную функцию в организме человека. Теперь же стало ясно, что каждый ген кодирует множество разных белков и что именно сложнейшим взаимодействием белков и определяются все функции организма. Это привело к смене парадигмы в науке: потеснив геномику, изучающую гены, на передний план выдвинулась протеомика, изучающая белки. Тут-то и оказалось, что без масс-спектрометрии и, в частности, методов, разработанных Фенном и Танакой, исследование белков просто невозможно. А значит, в том, что их работы удостоились Нобелевской премии только сейчас, всё же есть своя логика.

Вообще-то масс-спектрометрия как метод определения массы и относительного содержания компонентов в исследуемом веществе используется в химических лабораториях очень давно, однако долгое время она позволяла анализировать лишь небольшие и, как правило, неорганические молекулы. Заслуга Фенна в том, что он нашёл такой способ ионизации нелетучих органических соединений, при котором их молекулярная целостность сохраняется, то есть термического разрушения больших молекул не происходит. Предложенный Фенном в 1987-м году метод получил название электродинамической, или электрораспылительной ионизации – electrospray ionisation (ESI). Автор разработки поясняет:

- Если вы разобьёте яйцо, выльете его содержимое на сковородку и начнёте её разогревать, вам никогда не удастся выпарить эту массу, заставить её перейти в газообразное состояние: она у вас просто-напросто сгорит. А электрораспыление позволяет переводить крупные белковые молекулы, из которых и состоит яйцо, в газовую фазу в вакууме. Если же мы придадим этим молекулам электрический заряд, то сможем определить и их массу, причём с достаточно высокой точностью.

Фенн осуществлял ионизацию подлежащей анализу жидкости, впрыскивая её через тонкий капилляр в вакуум в сильное электростатическое поле. В это же время Танака предложил иной метод ионизации, получивший название мягкой лазерной десорбции – soft laser desorption (SLD). В его основе – воздействие на вещество лучом лазера, при этом проба может находиться в твёрдом агрегатном состоянии. Лазерный импульс выбивает из неё молекулы и одновременно ионизирует их.

Разработанные Фенном и Танакой методы анализа нашли широкое практическое применение не только в сфере фундаментальных биохимических исследований, что тоже крайне важно, но и во многих прикладных областях – от медицины и фармакологии до криминалистики и контроля за качеством пищевых продуктов.

Итак, Фенн и Танака, предложившие методы определения химического состава белков, поделили одну половину Нобелевской премии на двоих, а вторая её половина присуждена швейцарцу Курту Вютриху, разработавшему способ определения пространственной структуры белковых молекул.

Функция белка тесно связана с пространственной формой его молекулы

Курт Вютрих

родился в 1938-м году в Аарберге, в кантоне Берн. Окончив местный университет и защитив в 1964-м году в Базельском университете диссертацию по специальности «неорганическая химия», Вютрих увлёкся молекулярной биофизикой. С 1969-го года он работает в Высшей технической школе в Цюрихе – сначала рядовым научным сотрудником, а с 1980-го года – профессором. Параллельно Вютрих преподаёт и ведёт исследования в области структурной биологии в Научно-исследовательском институте Скриппса в Ла-Холья, штат Калифорния. В будущем году учёному исполнится 65 лет, и ему, согласно существующим в Швейцарии правилам, придётся уйти на пенсию. Вютрих собирается перебраться в США, и эта перспектива вызывает у него двойственные чувства:

- Я охотно остался бы здесь и продолжил свою работу. С другой стороны, начать новые исследования в новом окружении в Калифорнии, получить новые импульсы тоже очень заманчиво. Я уже подготовил себе вторую лабораторию в США, так что это будет плавный, почти незаметный переход.

Вютрих женат, у него двое детей. В свободное время учёный много занимается спортом, отдавая предпочтение горным лыжам. Кроме того, он имеет дипломы инструктора по лыжам, тренера по футболу и школьного учителя физкультуры. Среди коллег Вютрих слывёт человеком с очень непростым характером. Он бывает вспыльчив и груб. Впрочем, те, кто хорошо его знает, признают, что найти общий язык с ним всё-таки можно. Главное же, коллеги единодушно считают Вютриха выдающимся учёным.

Основное научное достижение Вютриха, удостоенное теперь Нобелевской премии, состоит в разработке метода ядерно-магнитной резонансной спектроскопии для анализа крупных молекул. Сам учёный поясняет:

- Этот метод позволяет нам определять трёхмерную структуру белковых молекул в растворе. Примером раствора может служить кровь. То есть нам не приходится изымать протеин из его естественной среды, чтобы выявить его пространственную структуру.

Тут требуется небольшое пояснение: молекулы белка, представляющие собой, как известно, длинные цепочки из остатков аминокислот, имеют и вполне определённую пространственную организацию. Поэтому, характеризуя белок, учёные говорят о его первичной, вторичной, третичной, а в некоторых случаях и о четвертичной структурах. Первичная структура белка отражает его аминокислотную последовательность, т.е. порядок чередования аминокислотных остатков в молекуле. Вторичная структура белка отражает конформацию молекулы, т.е. способ её скручивания в пространстве. Одна из наиболее распространённых моделей – спираль. Третичная структура белка отражает трёхмерную конфигурацию уже скрученной молекулы в пространстве. Скажем, та же самая спираль, но ещё и изогнутая. Ну, а четвертичная структура белка образуется за счёт взаимодействия между разными молекулами и характерна лишь для некоторых белков, например, гемоглобина.

Следует отметить, что функция белка тесно связана с пространственной формой его молекулы. Достаточно напомнить, что неизлечимые на сегодняшний день губчатые энцефалопатии – коровье бешенство и скрэпи у животных и болезнь Кройцфельдта-Якоба у человека – вызываются аномальными протеинами – прионами, которые отличаются от нормальных лишь несколько иной трёхмерной структурой при полной идентичности аминокислотного состава. Пока прионный белок находится в обычной форме – она именуется альфа-конформацией, – он хорошо растворяется в биологических жидкостях и способен выполнять свойственную ему функцию – правда, учёные пока не знают, какую именно. Когда же этот белок – по неизвестным пока причинам –принимает иную, аномальную форму – её называют бета-конформацией, – он образует нерастворимые агрегаты и выступает как чужеродное и вредное для организма вещество, нарушая в конечном счёте работу всей нервной системы. Самое непосредственное участие в определении структуры прионов принял и Курт Вютрих. В частности, именно он обнаружил поразительное сходство, почти идентичность прионов у человека и у животных:

- Наш метод позволил расшифровать структуру молекул прионов. Мы обнаружили у них своего рода длинный изогнутый хвост, совершенно нетипичный для других белков.

В чём же суть этого метода? Вютрих говорит:

- В том, что в условиях сильного постоянного магнитного поля мы воздействуем на белковый раствор переменным электромагнитным полем радиочастотного диапазона и затем измеряем поглощение этого излучения.