Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии

© 2018 by Venki Ramakrishnan

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2020

© Издание на русском языке ООО Издательство «Питер», 2020

© Серия «New Science», 2020

Отзывы

«Поворотным моментом в науке стало открытие структуры рибосомы – затейливого крошечного двигателя самой жизни. В ее состав входит таинственная молекула РНК, которая действовала до появления ДНК и белков. Открывая очертания и детали рибосомы при помощи кристаллографии, ученые поняли, что в этой структуре спрятан ключ к определению понятия “жизнь”. В поистине детективной истории, рассказанной с юмором и подробностями, Венки Рамакришнан повествует, как он, иммигрант из Индии, смог собрать нужных людей, идеи и инструменты, чтобы в сотрудничестве (а порой и в соперничестве) с коллегами прийти к замечательным достижениям, апогеем которых стала Нобелевская премия. Если вам интересно, как делается наука, – прочтите эту книгу».

«Захватывающая и воодушевляющая книга “Генетический детектив” рассказывает о мире науки, природе открытий и фундаментальных вопросах биологии XX в. Венки Рамакришнан – один из ведущих специалистов, занимавшихся расшифровкой молекулярных основ трансляции белков, предлагает нам головокружительный сюжет, полный научных подробностей и гуманистического посыла. “Генетический детектив” продолжает традицию “Двойной спирали”[2], где в центре внимания находится сам процесс развития науки: движение рывками, соперничество, ошибки и заблуждения, ведущие к истине. Автор – некогда далекий от биологии рибосом физик – с позиции стороннего наблюдателя анализирует смысл научных премий и конкуренции между учеными (полагаю, его замечания повлияют на современную научную культуру). Он пишет так честно, ярко и увлекательно, что я просто не мог отложить книгу, пока не прочел ее до конца».

«Рибосома – это центральный процессор, расшифровывающий уникальный машинный код жизни, и история рибосом разворачивается бок о бок с историей ДНК. Можно сказать, что Венки Рамакришнан – в своем роде новый Джеймс Уотсон. Так же как и в «Двойной спирали», воспоминания автора сочетают тактичность с обезоруживающей прямотой. В его личном и честном рассказе состязательные амбиции, которыми он руководствовался, уравновешены с размышлениями о потенциально порочном влиянии крупных премий. Книгу “Генетический детектив” нужно читать и перечитывать как документ по истории науки».

«Рассказ о погоне за истиной, спрятанной в молекулярной машине, способной превращать гены в организмы, примечателен откровениями о том, как на самом деле творится наука реальными людьми со своими талантами и недостатками. Венки Рамакришнан рассказывает о многолетних попытках разобраться в миллионе атомов рибосомы и об ученых, мечтающих постичь основы жизни, проторить путь к новым антибиотикам и разделить лавры Нобелевской премии».

Предисловие к русскому изданию

Когда я узнал, что мои мемуары «Gene Machine», посвященные исследованию структуры рибосомы, будут опубликованы на русском языке, то пришел в восторг. К моему удивлению, русское издание озаглавили весьма загадочно – «Генетический детектив».

К России и ее культуре я питаю давний интерес. Еще в Индии подростком я брал вечерние уроки русского языка и был большим поклонником русской литературы, музыки и шахмат. Позже, став физиком, я приобрел все книги «Курса теоретической физики» Ландау и Лифшица. А когда уже по-настоящему начал работать над рибосомами, то осознал, насколько большим являлся институт Александра Спирина в Пущино – центр по исследованию рибосом.

Именно в этом институте, в группе Марии Гарбер, были кристаллизованы малые субъединицы и рибосома целиком. Мне посчастливилось познакомиться с Марией Гарбер в 2001 году, когда я посетил Пущино на 70-летие академика А. С. Спирина. Она была чрезвычайно гостеприимна. До этого мы переписывались несколько лет, и когда я работал над книгой, она дала мне почитать свои мемуары, где описала, как ее группа получила кристаллы. Жаль, что это не принесло ей известности, тем более, что она помогла подготовить некоторых ведущих ученых по рибосомам, в том числе Марата Юсупова, который продолжил работать с Гарри Ноллером, а затем проводил важные исследования самостоятельно.

Надеюсь, что моя книга поможет исправить такое упущение и проиллюстрирует вклад России в важную область молекулярной биологии. Я также надеюсь, что российским читателям понравится история о том, как аутсайдер от мира науки включился в гонку за решение сложной проблемы в молекулярной биологии и составил конкуренцию некоторым хорошо зарекомендовавшим себя группам ученых.

Предисловие

Это личная история об опыте, который автор приобрел, будучи студентом, профессором и ученым-экспериментатором, разбирающим один из древнейших фундаментальных процессов: синтез белков. Страсть к открытиям, боязнь ошибки, личные и профессиональные терзания, которыми усеяна дорога к научному успеху, открываются на страницах этой увлекательной книги.

Взгляды автора уникальны сразу в нескольких отношениях. Как иммигрант, перебравшийся сначала в Америку, а затем в Англию, и как физик, вошедший в сферу биологии, он рассказывает свою историю от лица чужака, желающего приобщиться к новому научному и социальному миру. В его подходе к исследованиям сочетаются принадлежность и обособленность, рвение и отчаяние. Это рассказ о научном открытии как таковом: о познании структур той самой машины, которая считывает генетический код и транслирует его последовательности нуклеиновых кислот в цепочки аминокислот, образующих все белки, необходимые для жизни на Земле. Рибосома, состоящая из большой и малой субъединиц, показана здесь во всей красе, а собственные работы автора демонстрируют молекулярные основы механизмов малой субъединицы, посредством которых лекарства-антибиотики блокируют работу бактериальных рибосом, искореняя микробные инфекции. Описание работы над структурой малой субъединицы, от первых исследований ее компонентов до последующих амбициозных попыток ее очистить и кристаллизировать, – это вдохновляющая история об изобретательности, везении и, в конце концов, успехе.

А еще это книга о профессиональных дилеммах, интуитивной прозорливости, человеческой природе научных исследований. Любой крупный научный прорыв зависит от вклада множества людей, их взаимодействия и вынужденных отступлений. Не всегда ясно, как возникает идея – в сознании одного человека или в процессе дискуссий. На ученого давят как соперничество, так и собственные победы. Нобелевской премией по химии 2009 года отмечены заслуги Ады Йонат и последующие достижения Венки Рамакришнана и Тома Стейца в разгадке структур рибосомных субъединиц. И автор обращает наше внимание на то, что одна премия может быть вручена не более чем трем лауреатам, несмотря на важность вклада других ученых. Перед нами воспоминания, а не объективное историческое эссе. Те, кто изучают естественные науки и научную методологию, найдут в них свежий взгляд на процесс научного открытия и порой мучительный путь к новым знаниям. Это образец увлекательной научно-популярной литературы, который ценен и как изложение фактов, и как разбор эмоциональной составляющей научной работы и достижений.

Пролог

Оглядываясь назад, я удивляюсь, каким малозаметным оказался ее визит. Был один из хмурых осенних дней 1980 года. Небольшое объявление на доске в Йельском университете анонсировало лекцию с туманным названием. Явившись туда, я легко нашел свободное место напротив докладчицы – кроме меня озаботились прийти всего несколько специалистов.

Она шагала, лучась уверенностью и даже отвагой. После краткого представления пригласившего ее лица она принялась описывать суть работы своей берлинской группы, занятой получением кристаллов, представляющих собой колоссальные сборки молекул, участвующих в трансляции генов в белки. Тогда получение кристаллов было ключевым этапом на пути к расшифровке их структуры.

После лекции мы не забросали ее вопросами, поскольку не поняли, на что годится ее работа. Нас только ошеломило, что кому-то удалось заставить такие крупные и аляповатые частицы выстраиваться в правильные объемные столбики молекул, образующих кристалл. Пока мы шли по коридору обратно к себе в лаборатории, один мой коллега поддел другого, сказав: «Как же так вышло, что ты даже крошечного кусочка кристаллизовать не можешь, а она собрала эту штуку целиком?» Однако ее кристаллы были еще недостаточно хороши и не структурировались, а тогда никто еще даже не представлял, как описать форму настолько крупной единицы. Мы сошлись на том, что это было любопытное явление, но ни у кого не было ощущения, что мир изменился и мы должны бросить то, чем сейчас занимаемся.

Я и не подозревал, какую роль эта исследовательница, Ада Йонат, сыграет в моей жизни в течение следующих трех десятилетий: мне предстояло тягаться с нею и другими, приближаясь к пониманию объекта, лежащего в основе жизни, а потом занять место между Адой и кронпринцессой Швеции на нобелевском банкете.

Глава 1

Новые планы в Америке

Покидая Индию, я страстно мечтал стать физиком-теоретиком. Мне было девятнадцать, я только что окончил университет в Вадодаре. Поступать в аспирантуру за границей до получения магистерской степени в Индии было не принято, но я жаждал скорее отправиться в Америку. Для меня это была страна не только возможностей, но и моих кумиров, таких как Ричард Фейнман, чьи знаменитые лекции по физике[4] меня очень вдохновляли. Кроме того, там уже находились мои родители: отец проводил творческий отпуск в Университете штата Иллинойс в Урбане.

Поскольку мое решение уехать было принято в последний момент, я не сдавал тест GRE, обязательный для поступления в американскую аспирантуру, и в большинстве университетов мои документы даже не рассматривали. Университет штата Иллинойс был готов меня принять, но из-за юного возраста только в качестве студента колледжа с двухлетним кредитом на обучение. В те годы ни один индус среднего достатка не мог позволить себе обучение и проживание в Америке. Тогда-то мой декан из Вадодары показал мне письмо из Университета штата Огайо, в котором к нему обращались с просьбой рассказать перспективным студентам об их аспирантской программе. Я впервые слышал об Университете штата Огайо, но мне понравилось, что там есть компьютер модели IBM System/360, генератор Ван де Граафа и преподаватели – выпускники первоклассных университетов. Там не выдвигали обычного требования о сдаче GRE и приняли меня с финансовой поддержкой. После традиционной нервотрепки при собеседовании на соискание студенческой визы в консульстве США в Бомбее я купил билет в мою землю обетованную.

Сразу после окончания выпускных экзаменов я вырвался из индийского пекла и отправился в Америку. В пути я простудился, а сам полет казался нескончаемым – у нас были стоянки в Бейруте, Женеве, Париже и Лондоне, прежде чем мы приземлились в Нью-Йорке. Далее я пересел на самолет до Чикаго, а затем долетел еще одним коротким рейсом до Шампейн-Урбаны. Ступив на асфальт в аэропорту 17 мая 1971 года, я ощутил самый леденящий порыв ветра в жизни.

Внезапное погружение в жизнь американского колледжа немного меня шокировало. Индийские студенты жили размеренно, консервативно одевались и усердно учились; многие, как и я, продолжали жить с родителями. Ухаживания и тем более добрачные связи были редкостью. В Америке 1971 года, где еще продолжались шестидесятые, я выглядел ботаном: короткая стрижка, очки в толстой черной оправе и оранжевые туфли, которые были велики размера на два. Американские студенты казались представителями совершенно иной породы: парни в рваных джинсах и с волосами длиннее, чем у девчонок. Девушки же в соблазнительных шортиках и облегающих топах казались практически голыми по сравнению с индусками. В кампусах по всей Америке протестовали против войны во Вьетнаме. Как-то вечером, испытывая смесь любопытства и сочувствия, я сходил на пацифистский митинг. Смотрелся я там весьма экзотично, но потом нашел в сторонке двух ребят постарше, которые были коротко острижены и одеты в такие же, как у меня, дешевые полиэстеровые штаны и рубашки. Я подошел к ним, пытаясь быть максимально приветливым, но они встретили меня холодно и даже подозрительно. Потом я узнал, что это были агенты ФБР, следившие за смутьянами.

Лето я провел, посещая курсы в Университете Иллинойса, устранял пробелы, оставшиеся после образования в Вародаре. В августе я уехал с родителями и сестрой в милый холмистый городок Афины в южном Огайо, где мне предстояло провести ближайшие несколько лет. Первая проблема, с которой я столкнулся, – найти жилье. Зарплата ассистента преподавателя позволяла снять маленькую квартирку, где я мог бы сам себе готовить. Мы отвечали на газетные объявления об аренде, но безуспешно. Был вариант, где хозяйка сказала, что такая квартира имеется, но когда мы через несколько минут явились ее посмотреть, дама, взглянув на меня, заявила: «Только что сдали». Так я столкнулся с американским расизмом. В тот отпуск квартиру найти не удалось, так что я записался в общежитие и первый год просуществовал, питаясь преимущественно сырными сэндвичами в кафе.

Несмотря на скудное меню, общежитие очень мне пригодилось – там я сразу обзавелся группой друзей и смог избежать изоляции и геттоизации. Приятели быстро помогли мне влиться в ритм жизни американского колледжа. В первую же субботу мы пошли на американский футбол. Матч организовали с такой помпой (чирлидеры, шарфы, громкоговорители), что сама игра просто меркла.

Еще одно достоинство общежития – расположение корпуса рядом с факультетом физики. Нашими соседями были несколько аспирантов, и мы привыкали к аспирантуре в дружеском научном кружке. Аспиранту-физику обычно полагалось год-два работать над курсовой, сдать обширный экзамен и лишь потом приступать к серьезным исследованиям. Я справился с курсовой и письменной частью экзамена, но под конец устной части я ощутил первые звоночки потери интереса к физике. Меня спросили, о каких недавних физических открытиях я читал, – я не смог назвать ни одного и только после некоторых наводящих вопросов сформулировал, какая область кажется мне интересной. Однако экзамен я все равно сдал и решил работать под научным руководством Томоясу Танаки – признанного теоретика в области физики конденсированного состояния. К тому времени меня уже занимали вопросы биологии, и я включил их в мой план диссертации. Поскольку ни я, ни Томоясу совершенно не разбирались в биологии, эти предложения были чистой фантазией, и вскоре я от них отказался.

Приступив к работе над диссертацией, я осознал, что практически не представляю, как выделить ключевые вопросы, не говоря уж о том, как к ним подступиться. Я находил утешение в общении: выступал за университетскую шахматную команду, ходил гулять с моим другом Судхиром Кайкером, знакомился с западной классической музыкой, общаясь с другим приятелем, Тони Гримальди, и вообще занимался чем угодно, – только не диссертацией. Томоясу был хрестоматийно вежливым японцем, который иногда мог зайти ко мне в лаборантскую и поинтересоваться, как продвигаются дела, – и я придумывал очередную отговорку, почему никак не продвигаются. Так продолжалось пару лет. Часто я говорил, что будь у меня такие студенты, как я, то сам бы их всех отчислил!

Рис. 1.1. Автор – аспирант по физике в Университете Огайо

Внезапно все изменилось, когда я встретил Веру Розенберри – недавно расставшуюся с мужем женщину, у которой была четырехлетняя дочь. Общие друзья решили нас познакомить, возможно, потому, что мы оба были вегетарианцами – редкость на юге штата Огайо семидесятых годов. Я даже не заподозрил, что наша первая встреча была подстроена: мы просто оказались на большой вечеринке по случаю Дня благодарения. Друзья, видя, что я ничего не понял, пригласили меня на ужин, где, кроме меня и Веры, была еще одна пара. Вера поразила меня и умом, и красотой, однако я решил, что «не вышел» для такой девушки и вряд ли она мной заинтересуется. Поэтому познакомил ее с моим другом, пригласив на ужин его и Веру вместе с дочерью Таней. Часть вечера я провел за играми с Таней, чтобы Вера с моим другом могли свободно поболтать. Именно мой друг мне подсказал, что Вера, кажется, интересуется мной, а не им, и тем более ко мне присматривается, заметив, как здорово я поладил с ее дочерью. Несмотря на мой столь несуразный дебют, между нами вспыхнул бурный роман, продлившийся менее года. После ее развода мы поженились. Двадцати трех лет от роду я оказался женат и обрел пятилетнюю падчерицу.

Именно брак заставил меня сосредоточиться на карьере. Вера хотела еще одного ребенка, и передо мной замаячила перспектива содержать семью, но я не представлял, чем заниматься дальше. Казалось несомненным, что если я продолжу путь физика, то проведу остаток жизни за скучными вычислениями, так и не дойдя до реальных открытий. В молекулярной биологии тогда разворачивались перемены, сравнимые с теми, которые физика претерпела в начале XX века и начало которых связано с открытием структуры ДНК. Практически в каждом выпуске Scientific American сообщалось о крупном прорыве, и казалось, что такие достижения даже мне под силу. Поэтому, несмотря на свое только базовое понимание биологии, я принял решение поступать в аспирантуру еще раз, на этот раз по новой специальности, утешая себя тем, что на подобный переход уже решались многие блестящие ученые: Макс Перуц, Френсис Крик и Макс Дельбрюк.

Я написал в несколько ведущих университетов, но во многих из них не желали принимать соискателя, уже готовившегося к защите кандидатской диссертации. Два отклика мне особенно запомнились. Первый от Франклина Хатчинсона из Йеля – дружелюбное письмо, в котором тот сообщал, что готов разослать мое резюме коллегам, на случай если кому-то захочется пригласить меня в качестве постдока[5]. Откликнулись двое таких коллег: Дон Энглман и – теперь это кажется иронией судьбы – Том Стейц. Я поблагодарил их обоих и написал, что недостаточно подкован для работы постдока, поэтому предварительно постараюсь подучиться. Полной противоположностью письму Хатчинсона стал ответ Джеймса Боннера из Калтеха. В письмах я указывал, что достаточно молод – мне было всего двадцать три – и поэтому планирую повторно поступить в аспирантуру. Боннер пристыдил меня за то, что я кичусь своим возрастом, добавив, что он тоже получил степень кандидата наук в двадцать три, и в его семье это сочли неуспеваемостью. Он также указал, что набор упомянутых мною дисциплин – аллостерия, мембранные белки и нейробиология – его совершенно не удивляет, ведь это самые раскрученные области биологии. Заметил, что сначала мне следовало бы показать свои способности в этих дисциплинах, и заключил, что в Калтех меня бы не приняли даже студентом. Вероятно, он не читал роман «Уловка-22» о взаимоисключающих правилах. К счастью, Дэн Линдсли из Калифорнийского университета в Сан-Диего принял меня на биологический факультет в качестве аспиранта со стипендией. Тем более отрадно было то, что Вера и Таня горели желанием перебраться в Калифорнию, жить со мной на скудную стипендию, завести малыша, заботиться о нем – и все это без машины.

С трудом я набрал достаточно работ, чтобы из них получилась удовлетворительная диссертация по физике. Наш сын Раман родился через месяц после моего кандидатского экзамена. Пару недель спустя мы с другом выехали из Огайо в Калифорнию на грузовике «Райдер» со всеми нашими пожитками, а Вера и дети в компании моей тещи прибыли ко мне через неделю. Как только мы обосновались на новом месте, я серьезно взялся за учебу. Стояла осень 1976 года.

В биологии меня сразу поразило, какое огромное количество фактов требуется знать. Вводные лекции для аспирантов-новичков были переполнены непонятными терминами. Я записался сразу на целую кучу студенческих курсов по генетике, биохимии и клеточной биологии, одновременно с этим успевая заниматься ротациями – проектами в разных лабораториях для аспирантов-первокурсников, которые в Америке призваны помогать соискателю определиться с темой диссертации. Поскольку мои физические исследования ограничивались чистой теорией, я совершенно не представлял себе, как ставить опыты. И я научился этому во время ротации в лаборатории Милтона Сайера, исследовавшего поглощение сахара бактериями. Там проводился такой эксперимент: в исходный момент добавлялось некоторое количество радиоактивной глюкозы в бактериальную культуру, а затем измерялось, сколько глюкозы оказалось в бактериальных клетках в различные моменты времени. Объем глюкозы, которую требовалось добавлять, был невероятно мал: около 20 мкл (менее 1 % от объема чайной ложки). Как измерить такой объем? Я спросил. Обучавшая меня лаборантка весьма любезно показала мне прибор под названием «дозатор»: в сущности, это трубка с поршнем, который можно двигать вверх или вниз на заданный шаг. Коллега объяснила, как устанавливать число на циферблате, набирать нужную дозу и по окончании немного проталкивать поршень, чтобы убедиться, что трубка полностью опорожнена. «Это все», – сказала она. Я взял прибор, окунул его в радиоактивную глюкозу и услышал: «Какого черта ты творишь? Нужен наконечник!» Прибор считался настолько стандартным инвентарем, что она просто забыла рассказать мне об одноразовом пластиковом наконечнике, защищающем носик дозатора от загрязнения при контакте с образцом.

Переезд с маленькими детьми не слишком способствовал вниканию в новую дисциплину. Однако мне исключительно повезло, что Вера начала иллюстрировать детские книги и могла работать дома. Она практически полностью взяла на себя заботу о детях и домашнее хозяйство, позволив мне сосредоточиться на учебе. Первый курс я оканчивал с оптимизмом, поскольку уже приобрел достаточные знания в биологии и лабораторный опыт. На втором курсе я стал работать вместе с Маурисио Монталем, который изучал белки, пропускающие ионы сквозь тонкие липидные оболочки. Но оказалось, что в его лаборатории я не задержусь надолго. По воле случая мне пришлось снова пересечь всю страну, чтобы приступить к работе над одной из древнейших и самых важных биомолекул.

Глава 2

Знакомьтесь: рибосома

Стоит упомянуть ДНК, как почти все понимающе закивают в ответ. Все мы знаем – или думаем, что знаем, – что такое ДНК. Эта молекула определяет нашу сущность: кто мы такие и что от нас унаследуют дети. Она превратилась в метафору, описывающую фундаментальные свойства почти чего угодно. «Это у них в ДНК» – говорим мы, даже рассуждая о какой-нибудь корпорации.

Однако, заговорив о рибосоме, вы рискуете наткнуться на непонимание даже у некоторых ученых. Несколько лет назад в радиоэфире передачи «Материальный мир» на ВВС Квентин Купер сказал мне, что гость с прошлой передачи просто возмутился, что на обсуждение глаза было выделено всего полвыпуска, а какой-то обычной молекуле (рибосоме) посвятили целый выпуск. Важно не только то, что большинство компонентов глаза формируется благодаря рибосомам – практически любая молекула в любой клетке любого организма собирается либо благодаря рибосомам, либо под действием ферментов, которые на них синтезируются. На самом деле, пока вы это читаете, рибосомы в каждой из триллионов клеток вашего тела успевают сделать тысячи белков. Миллионы существ обходятся без глаз, в то время как рибосомы нужны любому организму. Открытие рибосомы и ее роли в синтезе белков – это кульминация одного из величайших триумфов в истории современной биологии.

Прибыв в Калифорнию для изучения биологии, я, как и большинство физиков, понятия не имел о рибосоме и весьма приблизительно представлял, что такое ген. Знал, что в генах заключены признаки, наследуемые от предков и передаваемые потомкам. Оказалось, что все гораздо интереснее. Это информационные единицы, обеспечивающие развитие полноценного организма из единственной клетки, например из оплодотворенного яйца. Хотя практически во всех клетках содержится полный набор генов, в разных тканях активируются разные совокупности генов, поэтому нервная клетка отличается по свойствам от эпителиальной. Но что же такое гены?