БУМАЖНЫй НОМЕР 

 

Командировка в Half-Life

01.09.2001
Сергей Ружейников


 
 

 1Как сказал юморист, хорошо спорить до хрипоты, до драки о вкусе ананасов в шампанском, не разу их не пробовав. Также и в молекулярной биологии, масса всевозможных исследований той или иной биологически важной молекулы не может сравниться по важности с доскональным описанием ее трехмерной структуры. Только оно позволяет целенаправленно заняться разработкой «молекулярных инструментов». А это и лекарственные препараты новых поколений, и наномашины (может быть, и нанокомпьютеры). Но наряду с благом эти знания таят в себе и большую опасность.

Раньше английский город Шеффилд был центром национальной сталелитейной промышленности, а шеффилдскую сталь знали во всем мире. Потом все сталеплавильные производства были закрыты из-за низкой рентабельности и сильного загрязнения окружающей среды - сих пор многие дома стоят черные от дыма. Промышленная ориентация города развернулась на 180 градусов, на первый план в городской жизни вышли университеты. Два университета - Sheffield University и Sheffield Hallam University, а также сопутствующие им места отдыха студентов и сотрудников дают работу большой части оставшегося населения. Центр города покрылся закусочными и ресторанами, ночные клубы и пабы никогда не пустуют. Университет Шеффилда, входящий в число крупнейших университетов Англии, всемирно известен благодаря многим знаменитым людям, которые поработали в нем. За его более чем столетнюю историю в их число  2вошли пять нобелевских лауреатов, в том числе и сэр Ганс Адольф Кребс 1.

К слову сказать, Англия является одной из самых «демократичных» научных держав. Только здесь можно официально заниматься клонированием человеческих эмбрионов или, например, изучать, чем негры отличаются от австралийцев или европейцев 2.

Пожалуй, приоритетным научным направлением в университете Шеффилда стала молекулярная биология, основной частью которой является изучение структуры и функций различных белковых систем.

Расшифровка и изучение структур белков является не только важной задачей, ведущей к разгадке механизмов жизнедеятельности и разработке новых высокоэффективных лекарственных препаратов, но и эстетически приятным занятием. Так, например, фермент, участвующий в метаболизме одной из аминокислот - основных кирпичиков, из которых строится живой организм, - представляет собой правильную октамерную (состоящую из восьми идентичных субъединиц) частицу с осями 2-го и 4-го порядков. Один вид высокосимметричных белковых структур может завлечь своею правильной таинственностью. О симметрии в живой материи можно говорить очень много и скорее это тема отдельной статьи, но хочется подчеркнуть, что большинство биологических макромолекул обладают элементами внутренней симметрии, что делает их изучение более увлекательным.

Существует масса способов изучения структур белков, каждый из которых предоставляет различный уровень детализации структурно-функциональной информации. Но с количеством добываемой информации растет и стоимость  3экспериментальных установок. Так, оценить массу белковых молекул можно чуть ли не в домашних условиях с помощью простейшей электрофоретической установки, не требующей компьютерных вычислений. Среднего качества структурную информацию можно получить с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР-спектроскопии) или рентгеноструктурного анализа. В этом случае прибор уже занимает целую комнату и на компьютерную расшифровку и анализ может уйти до нескольких недель чистого компьютерного времени на современных мощных рабочих станциях, не считая интерактивной работы за компьютером. Наиболее детальную информацию о структуре белка можно получить с помощью рентгеноструктурного анализа высокого разрешения, позволяющего видеть не только «тяжелые» атомы (углерода, кислорода, азота) и легкие - водорода, - но иногда и конфигурацию их электронных оболочек. Однако высока экспериментальная цена, которую надо заплатить за столь детальную информацию. Это и сверхмощный источник рентгеновского излучения - синхротрон, размером с маленький городок, и не один месяц компьютерного времени, не говоря уже о большом везении, без которого экспериментатору не обойтись.

Ни один университет не может позволить себе иметь «личный» синхротрон, который бы использовался только для внутренних нужд. Но это не является препятствием для науки. За счет государства (а то и нескольких) возможно строительство таких гигантских объектов, которые становятся затем центрами притяжения для научно-исследовательских коллективов со всего мира. В Англии таким центром является синхротрон в Дарсбери. Множество научных групп со всей Англии и Шотландии проводят рентгеноструктурные исследования на базе этого синхротрона 3. В Европе есть и другие синхротроны, например в Гренобле (Франция) или Гамбурге (Германия). В России также есть свои синхротроны (в Дубне, например), но у государства нет денег на оборудование в синхротроне даже одной рентгеноструктурной лаборатории,  4возможностей которой хватило бы для сбора экспериментальных данных всех структурных исследований, проводящихся в стране.

Внутри синхротрон в Дарсбери выглядит очень узнаваемо, с нарисованными дорожками и освещенными, как витрины магазинов, лабораторными комнатами. Кто хоть раз играл в Half-Life, должен без труда ориентироваться внутри. Сама рабочая комната сделана из свинцовых стен, которые предотвращают выход излучения наружу. А излучение там очень сильное, и если верить инструкции, после включения «пушки» человек, запертый внутри, не проживет и минуты, хотя точных измерений никто не проводил. Для управления сверхбыстрым ПЗС-детектором, производящим до 1,5 Гбайт информации в секунду, служит «шкаф с человеческим лицом». Этот непонятного вида компьютер управляется обычной Windows и, как ни странно, не «виснет» 4. К сожалению, эта ЭВМ, на которой-то и клавиатуры толком нету 5, является практически единственной Windows-машиной на пути от экспериментальных данных до готовой структуры белка. Ну, может, еще кто статью на персоналке писать будет.

Основной парк компьютеров для структурного анализа белков представлен рабочими станциями SGI. И не потому, что они самые доступные или самые производительные, не потому, что они самые простые в обращении или имеют самую лучшую графику, а просто потому, что когда-то они честно заняли это место и до сих пор пользуются славой своих великих предшественников. Лет 15-20 назад этим графическим станциям не было конкурентов. Персональные компьютеры в лучшем случае осваивали лексиконоподобные редакторы, а остальные IBM, Alpha, VAX и т. д. и не думали о предоставлении пользователю стереоизображения. Теперь, когда ПК могут поспорить со скоростью многих рабочих станций, а стереоочки можно подцепить и к видеокарте за 50 долларов, многолетние традиции в  5научно-исследовательских лабораториях заставляют вновь и вновь обновлять компьютерные мощности с помощью «Силиконов», хотя с каждым годом их позиции слабнут.

Лаборатории же, в которых производятся структурные исследования белков, с каждым годом растут и обзаводятся все более совершенной техникой. Также увеличивается скорость расшифровки структур. Если раньше с момента получения кристалла белка 6 до получения структуры проходило несколько месяцев, то сейчас структура белка часто может быть решена за несколько дней, что оставляет массу времени на детальный анализ механизмов действия, «запрограммированных» в данной структуре. Расшифровка полного генома некоторых простейших организмов позволила начать полный структурный анализ всех белков, играющих ту или иную роль в их жизнедеятельности. Эти исследования создают неоценимую экспериментальную базу для понимания основ жизнедеятельности как простейших, так и высших организмов.

 6Бактериофаг

Бактериофагами называют вирусы, которые поражают бактерии, заставляя их воспроизводить новые вирусные частицы. Изображенный на рисунке бактериофаг PhiX174 поражает кишечную палочку (E.coli). Он состоит изкольцевой молекулы ДНК, окруженной белковой оболочкой. Всё… Сам по себе любой вирус не более живой, чем камень. Но будучи помещенным в подходящую клетку, он становится эффективным инструментом самовоспроизведения, заставляя клетку синтезировать белки, кодируемые вирусным геномом.

Внедрив в ДНК фага ген какого-нибудь белка (например, инсулина) и заразив этим фагом культуру бактерий, можно заставить их вырабатывать белок (полученные таким образом белки называют рекомбинантными). Рекомбинантные белки широко используются в фармакологии, заместительной терапии (широко известный пример - инсулин) и других областях - таким образом производятся, например, ферменты, которые «работают» в наших стиральных порошках. А при генной терапии вирусами (обычно - аденовирусами), которые несут нужные гены, заражают уже человеческий организм.


1 (обратно к тексту) - Ганс Кребс (Hans Adolf Krebs, 1900-1981) - немецкий биохимик. Автор трудов по обмену углеводов. Описал основные реакции аэробного окисления - цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и орнитиновый цикл синтеза мочевины. Лауреат Нобелевской премии 1953 года в области физиологии и медицины.
2 (обратно к тексту) - Из-за этого теперь Крига даже не пускают в Америку лекции читать, поскольку он стоял во главе этих исследований.
3 (обратно к тексту) - На самом деле на синхротроне проводится масса других не менее интересных исследований, а не только рентгеноструктурный анализ белков, но это уже тема другого разговора.
4 (обратно к тексту) - Наверное, с ним что-то не так делают, вот он и не виснет, как положено, в самые неподходящие моменты.
5 (обратно к тексту) - Есть клавиатура, и мышка с ковриком есть, но они заперты на ключ, дабы не пользовали данное чудо техники не по назначению.
6 (обратно к тексту) - Получение кристаллов белков - это отдельная наука, которая ближе к искусству, чем к науке. Получение кристаллов занимает от нескольких недель до нескольких месяцев, а то и лет.