Кристаллограф Артур Линдо Паттерсон придумал, как, не зная фаз, по измеренным значениям интенсивности пятен вычислить функцию, показывающую самые заметные (тяжелые) атомы в структуре, которые из-за большого количества электронов сильнее рассеивают лучи. Затем вычислить фазы, которые волны получили при отражении от этих атомов, и сопоставить их с известными амплитудами. Некоторые атомы проявятся как менее четкие «призрачные» детали в изображении всей структуры. Добавив эти атомы в исходную структуру и сделав повторные вычисления, вы увидите на следующей итерации еще больше «призрачных» атомов. Таким образом можно шаг за шагом полностью воссоздать структуру молекулы.
У вас получится трехмерная карта молекулы, или карта электронной плотности, в которой рентгеновские лучи рассеиваются преимущественно от электронов в атомах. Такая карта демонстрирует, насколько высока плотность электронов в любой заданной точке.
Поскольку большинство электронов складывается в плотную оболочку вокруг ядра, мы можем определить местонахождение атомов. Карты плотности визуализируются в виде контурных карт сечений, напоминающих топографические карты, на которых отмечены горные пики: контур тем выше, чем больше плотность электронов.
Ученые стали пользоваться методом Паттерсона, чтобы определять структуры все более сложных молекул. Одной из тех, кому удалось выжать из этого метода максимум, была Дороти Ходжкин, в девичестве Кроуфут. Она была одной из первых женщин, получивших красный диплом Соммервилл-Колледжа Оксфордского университета, а затем приступила к работе над кандидатской диссертацией под руководством Джона Десмонда Бернала в Кембридже.
Бернал был настоящим энциклопедистом, но отличался непостоянством. Нередко он предлагал новаторские решения важных задач, но далеко не всегда дожидался, пока они будут проработаны до конца. Возможно, его просто слишком сильно отвлекали. В годы Второй мировой войны он консультировал британские власти при выборе места высадки в Нормандии. Он был ярым коммунистом и продолжал поддерживать советское правительство даже после того, как стало известно о сталинских репрессиях. Не менее пылко он относился и к женщинам, часто совмещая сразу несколько амурных историй. Многие из влюбленных в него – в том числе и Ходжкин – чувствовали, что Бернал искренне за ними ухаживает, помогает им в выстраивании карьеры, сохраняя с прежними пассиями самые хорошие отношения. Когда Бернал неизлечимо заболел, несколько этих женщин по очереди присматривали за ним.
Вероятно, по этим причинам некоторые из его учеников внесли гораздо более значительный вклад в науку и стали более знамениты, чем он. Ходжкин была одной из самых блистательных учениц. Защитив диссертацию, она вернулась в Оксфорд, но в академических кругах тогда совсем не жаловали женщин, поэтому она не смогла получить в этом университете достойный академический пост. К счастью, в ее альма-матер, Соммервилл-Колледже, ей выделили стипендию, к которой она добавила ряд временных исследовательских грантов. Она получила рабочий кабинет на чердаке над университетским Музеем естественной истории. Чтобы ставить там опыты, ей часто приходилось на свой страх и риск заносить наверх свои драгоценные кристаллы – в одной руке она сжимала их, а сама тем временем карабкалась по лестнице. Сохраняя бодрость духа при такой сложности и неопределенности в работе, она исключительно разумно подбирала себе материал для исследований, изучая самые важные молекулы – в частности пенициллин и витамин B12. В молекуле последнего насчитывалось несколько сотен атомов, и попытка определить ее структуру считалась задачей для настоящего виртуоза. Как-то раз Бернал сказал Ходжкин, что ей суждена Нобелевская премия. Она спросила, могут ли ее однажды принять в члены Королевского научного общества, и он якобы ответил: «А вот это будет гораздо сложнее!» На момент описываемых событий Королевское научное общество существовало уже более трехсот лет, и за весь этот срок в него не приняли ни одной женщины. Работа Ходжкин была слишком важна, чтобы ее игнорировать. Ее приняли в члены общества в 1947 году, всего через два года после того, как в состав организации попали первые дамы: кристаллограф Кэтлин Лонсдейл и биохимик Марджори Стивенсон. В 1964 году Ходжкин отправилась за Нобелевской премией, присужденной ей за ее исследования, и в одной из газет вышла статья: «Нобелевская премия для оксфордской жены», начинавшаяся словами: «Домохозяйка и мать троих детей вчера получила Нобелевскую премию по химии». Очевидно, некоторым журналистам ее традиционно женские достижения казалась самыми важными сведениями о ней.
Рентгеновская кристаллография имела шумный успех, но поначалу оставалось неясно, годится ли вообще этот метод для изучения белковых (и других подобных) молекул. В середине 1930-х, когда Бернал и Ходжкин только начинали исследовать кристаллы белка в рентгеновских лучах, они практически не увидели пятен. Бернал понял, что в белковых кристаллах слишком много воды и при высушивании они утрачивают свою изначальную правильную структуру. Когда они с Ходжкин попробовали ставить эксперименты над гидратированными кристаллами, сразу проявился красивый дифракционный узор. Так было впервые доказано, что у белков может быть строго определенная структура и что это не просто случайные цепочки аминокислот.
Но в молекулах белков – тысячи, а не сотни атомов, поэтому те способы, которыми Ходжкин разгадала структуру B12, здесь не годились. К счастью, за эту сложнейшую задачу взялся Макс Перуц, иммигрант из Австрии. Он покинул родину всего за несколько лет до нацистского аншлюса. Как и Ходжкин, он отправился в Кембридж, чтобы работать с Берналом, которого в те времена уже называли Премудрым. Перуц поступил в лабораторию Бернала почти сразу после того, как оттуда ушла Ходжкин, и принялся исследовать гемоглобин, крупный белок из кровяных телец, состоящий из четырех отдельных цепочек, в каждой из которых есть атом железа, доставляющий кислород из легких в ткани. Гемоглобин примерно в пятьдесят раз больше любой молекулы, которую к тому времени удалось картировать методом кристаллографии, и коллеги считали, что Перуц просто сошел с ума. Сам Перуц даже не представлял, как решить эту задачу. Он гордо демонстрировал коллегам красивые дифракционные снимки своих кристаллов, но, когда его спрашивали, а что же эти снимки значат, он быстро менял тему. Однако Брэгг, в 1938 году получивший в Кембридже титул Кавендишского профессора и пользовавшийся большим влиянием, с энтузиазмом отнесся к его целям и годами его поддерживал.
Наконец, спустя почти двадцать лет, в 1953 году, Перуц совершил прорыв. Попробовав добавлять в свои кристаллы тяжелый атом, например ртуть, он увидел, что интенсивность пятен меняется. Тяжелые атомы связывались с молекулой всего в нескольких точках, и, измеряя возникающие в пятнах отличия, можно было определить, где именно атомы расположены. Это удавалось сделать при помощи вычислений по Паттерсону, которыми уже занималась Ходжкин, но на этот раз сравнивалась интенсивность пятен для кристаллов, в которых есть или отсутствуют тяжелые атомы. Расчеты позволили определить не только положение тяжелых атомов, но и вычислить трехмерное изображение молекулы. Воспользовавшись именно этим методом, в течение следующих шести лет Перуц и его бывший студент Джон Кендрю разгадали структуру гемоглобина и более мелкого родственного ему белка, также переносящего кислород, – миоглобина.
К 1960 году, спустя полвека после определения структуры поваренной соли, удалось продемонстрировать объемную картинку белка, в молекуле которого – тысячи атомов. Началась эпоха структурной биологии.
Перуц был научным руководителем Крика, когда тот готовился к защите кандидатской, а Кендрю, как минимум официально, считался консультантом Уотсона, когда тот был постдоком. Пожалуй, далеко не случайно именно в 1962 году Перуц и Кендрю совместно получили Нобелевскую премию по физике с формулировкой «за исследования структуры глобулярных белков», а Уотсон и Крик (совместно с Морисом Уилкинсом) в тот же год были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за исследования ДНК. Именно в тот год Перуц со своим отделом переехал из переоборудованного велосипедного гаража близ Кавендишской лаборатории в центре города, где его с коллегами много лет терпели «настоящие» физики, в помещения в новом четырехэтажном здании на южной окраине Кембриджа. Так появилась Кембриджская лаборатория молекулярной биологии – LMB. Лаборатория, в которой с первого же года трудились четверо нобелевских лауреатов, начала партию с тузов.
Глава 4
Первые кристаллы
В результате самоотверженных усилий Макса Перуца и Джона Кендрю удалось впервые увидеть, как тысячи атомов в молекуле белка сочетаются в филигранные структуры. Перуц и Кендрю даже смогли рассмотреть атомы железа, связывающиеся с кислородом в гемоглобине и миоглобине.
Кристаллы – это правильные трехмерные структуры, состоящие из идентичных молекул. Здесь бывает две крайности. Составить кристалл из одноатомных молекул – все равно что сделать правильную фигуру из бильярдных шариков. Это довольно просто. Но если молекулы неправильной формы и состоят из тысяч атомов, то одинаково соориентировать их для получения фигуры не так-то просто. Небольшой сдвиг – и регулярность будет нарушена. На самом деле проблема еще сложнее, поскольку структура крупных молекул (например белковых) не жестко фиксированная. В растворах их части могут смещаться относительно друг друга. Поэтому остается лишь удивляться, как белки вообще кристаллизуются. Даже сегодня никто не в силах спрогнозировать результат кристаллизации какого-либо белка. Учитывая всю неопределенность этого процесса, было совершенно непонятно, как получить кристаллы из такой структуры, как рибосома, где атомов не тысячи, а сотни тысяч.
Изначально мы не знали, должны ли рибосомы одинакового происхождения иметь одинаковую структуру или хотя бы состоять из одного и того же набора белков. Если нет, то формирование кристалла из них было бы маловероятно. Первые признаки того, что рибосомы могут иметь правильную структуру, появились спустя десять лет после их открытия, когда Брек Байерс решил проверить, что произойдет с клетками куриного эмбриона при охлаждении. Его интересовали совсем не рибосомы, а длинные внутриклеточные волокна, так называемые микротрубочки, участвующие во множестве процессов, например в делении клеток. Занимаясь этими исследованиями в 1966 году, он заметил, что рибосомы в охлажденных клетках складываются в листы правильной формы. Толщина одного листа составляла одну рибосому, то есть это были двумерные кристаллы, а не трехмерные. Макс Перуц пригласил Байерса в LMB, чтобы поработать над его двумерными кристаллами. Байерс побывал там дважды – в 1960-х и 1970-х, но интересных результатов не получил.
Тем временем молодые ученые из LBM, Найджел Анвин и Ричард Хендерсон, разработали иной способ выяснить структуру биомолекулы. Анвин был долговязым парнем с прической «битловский горшок», а коренастый Хендерсон в шортах и сандалиях выглядел как подросток. Оба были энергичны и всерьез настроены оставить след в науке. Они работали над выяснением структуры белка бактериородопсина, расположенного в мембране галобактерий и позволяющего извлекать энергию из света. На тот момент не существовало надежного способа получать трехмерные кристаллы из мембранных белков: они расположены в жировой оболочке липидных мембран, окутывающих клетки, и, следовательно, нерастворимы в воде. Анвин и Хендерсон решили рассмотреть плоские кристаллы через электронный микроскоп.
Длина волны у электронов меньше, чем у рентгеновских лучей. С помощью электронов уже было открыто атомное строение различных веществ, в частности металлов и минералов. Но для рассмотрения биомолекул с их низкой контрастностью, которая при рассеивании частиц не позволяет четко видеть структуру на фоне окружающей воды и липидных мембран, требовалось заведомо разрушительное количество электронов. Тогда Анвин и Хендерсон разработали новый метод определения структуры молекул плоского кристалла, применяя электронный микроскоп с малыми дозами электронов.
В 1972 году Анвину попалась статья о том, что рибосомы ооцитов (клеток, из которых развиваются яйца) одного вида ящериц складываются в правильные плоские решетки вроде тех, что наблюдал Байерс. Анвин написал автору этой статьи Карлосу Таддеи, заинтересовавшись этими кристаллами, но ответа не получил даже после неоднократных попыток. Затем, набравшись не иначе как суровой решимости, он проделал на поезде путь от Кембриджа до Неаполя, добрался до лаборатории Таддеи и постучал ему в дверь. В конце концов Таддеи на некоторое время прибыл в LBM, чтобы поработать с Анвином. Вдобавок к своему странному нежеланию отвечать на письма, Таддеи и в других отношениях проявил себя эксцентричным и асоциальным. Он запомнился в LBM тем, что любил подымить трубкой у себя в лаборатории, из-за чего то и дело срабатывала пожарная сигнализация.
Анвин посвятил изучению этих кристаллов пару лет, и, хотя кое-какие данные ему удалось добыть, стало понятно, что кристаллы из ящеричьих ооцитов недостаточно хороши для определения детальной атомной структуры. Поэтому Анвин в конце концов забросил эту задачу и переключился на другие исследования. Они с Хендерсоном выполнили основополагающие работы по строению мембранных белков. Ящерицы Анвина, которых тот держал на цокольном этаже, разбежались и размножились, и даже годы спустя их можно было повстречать неподалеку от здания.