Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Партасарати Рагувир

В первую группу нарушителей порядка входят нативно-развернутые белки, которые вообще обходятся без фиксированной формы. Это, например, некоторые белки, образующие поры в мембране клеточного ядра. Считается, что лапша из таких неструктурированных белков обеспечивает необходимую пластичность для перемещения разновеликих объектов между ядром и цитоплазмой.

Но больший интерес, на мой взгляд, представляют белки, имеющие несколько стабильных конформаций – не единственную жесткую форму и не аморфный вид, а парочку архитектур, между которыми они могут переключаться, словно рубильник, который зажигает или гасит свет. В последние десятилетия мы не только обнаружили такие белки, но и выяснили, что они участвуют в развитии диковинных болезней. А еще они способны объяснить – ну, на всякий случай, – почему не следует предаваться каннибализму.

Куру и каннибализм

В 1950-х годах в деревнях племени форе в Папуа – Новой Гвинее разразилась эпидемия странной болезни, которая вызывала у людей дрожь и неконтролируемые приступы смеха. Ежегодно она уносила до 200 жизней из примерно 11-тысячного племени. (Чтобы оценить масштаб потерь, представьте, что

жуткая смерть постигает 150 тысяч ньюйоркцев в год.) Изучив структуру заболеваемости и возможные способы заражения, антропологи и клиницисты пришли к выводу, что болезнь, получившая название «куру» (на языке форе значит «дрожать»), распространяется путем ритуального каннибализма: семьи поедали тела умерших родственников, демонстрируя так любовь и уважение и помогая душам усопших освободиться⁸. Примерно в это время австралийское правительство, управлявшее Папуа – Новой Гвинеей, запретило каннибализм, что привело к стабильному снижению заболеваемости куру [17] . Но установить возбудителя болезни удалось лишь спустя десятилетия [18] . Людей форе убивали не бактерии, не вирусы и не паразиты, а белок – белок необычный, способный принимать одну из двух характерных форм. В «нормальной» форме этот белок выполняет свои обычные функции. В «неправильно свернутой» – нет, но еще хуже то, что он подталкивает другие белки принимать некорректную форму и объединяться в волокнистые агрегаты. Таким образом, аномальный белок можно считать инфекционным: часть съеденных молекул неправильной формы попадает в мозг, где запускает структурные изменения в белках с изначально безвредными аминокислотными последовательностями. Эти изменения амплифицируются в нервной системе больного и передаются после его смерти дальше, съевшим его обитателям деревни. Череда событий здесь напоминает о романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», в котором вымышленная форма воды «лед-девять», пребывающая в твердом состоянии при комнатной температуре, при контакте с обычной водой запускает процесс ее кристаллизации и преобразования в лед-девять. Итоговая цепная реакция оказывается еще более смертоносной, чем куру. Впрочем, в отличие от льда-девять, куру существует на самом деле.

17

Поскольку инкубационный период куру изредка может превышать 50 лет, уход последних ее жертв зафиксировали лишь в 2000-х.

18

Увлекательная история этого открытия рассказана в статье «Разоблачитель белков-убийц» (https://biomolecula.ru/articles/razoblachitel-belkov-ubiits).

Белки, способные сворачиваться в разные формы и выступать инфекционными агентами, называют прионами, и теперь мы знаем, что именно они вызывают некоторые болезни людей и других животных. Одна из них – губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, более известная под броским названием «коровье бешенство». Как и куру, это нейродегенеративное заболевание. Оно тоже вызывает дрожь, повышает возбудимость и нарушает координацию движений, но только у коров, а не у людей. Вспышка болезни в Великобритании в конце 1980-х затронула около 200 тысяч коров, и более 4 миллионов животных пришлось убить, чтобы остановить эпидемию. И все же болезнь успела передаться людям. Больше 100 человек умерли от ее человеческого аналога, нового варианта болезни Крейтцфельдта – Якоба, почти наверняка вызванного употреблением мяса больных животных. Но как же заразились коровы? Снова каннибализм! Фермерским коровам регулярно добавляли в пищу мясокостную муку, которая должна была ускорять рост и повышать продуктивность скота, а заодно служить способом утилизации отходов животноводства⁹. После вспышек болезни эту форму каннибализма запретили: в 1989 году – в Великобритании, а теперь и почти во всех странах мира (это справедливо для жвачных вроде коров и овец; другим сельскохозяйственным животным, например курам и свиньям, мясокостную муку, как правило, давать разрешено).

Само существование прионов какое-то время оспаривалось. В 1980-х возглавляемая Стенли Прузинером группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Франциско после 10-летних трудов выделила возбудителя почесухи (скрепи) – овечьего аналога губчатой энцефалопатии коров – и определила его как белок. Заявление ученых встретили с огромным скепсисом: в отличие от бактерий, вирусов и паразитов, в примитивной аминокислотной последовательности не просматриваются черты самостоятельного агента, и потому действительно сложно представить, как она распространяется, амплифицируется и вызывает болезнь. Тем не менее, проведя скрупулезный анализ и исключив другие возможности, ученые доказали состоятельность прионной гипотезы.

Прионные и прионоподобные белки задействованы в развитии не только куру и коровьего бешенства, но и других серьезных заболеваний. В частности, при болезни Альцгеймера наблюдают скопления неправильно свернутых белков, что придает ей сходство с прионными инфекциями. Однако эти белковые агрегаты вряд ли заразны: их пересадкой от больных животных здоровым неврологические симптомы не передаются. Почему происходит и к чему приводит такая агрегация, пока неясно. И вообще, нам еще нужно ответить на массу вопросов о правильном и неправильном фолдинге белков.

Предсказание структуры белков

Если вернуться к подавляющему большинству белков, которые обладают-таки уникальной трехмерной структурой, то, как ни странно, нам по-прежнему сложно предсказывать, какую именно форму примет аминокислотная последовательность. Такие прогнозы, однако, были бы очень полезны¹⁰. Так, нам было бы гораздо легче оценивать параметры связывания потенциального лекарства с разными белками, располагай мы сведениями о трехмерной структуре каждого из них. Хотя теперь нам существенно проще определять структуру белков, чем во времена первого знакомства с миоглобином кашалота, этот процесс остается трудоемким, долгим и капризным. Основной метод рентгеновского изучения белков [19] требует их предварительной кристаллизации, а для этого нужно совершить немало проб и ошибок. Есть и другие методы – например, с использованием электронных микроскопов, – но среди них не найдется ни быстрых, ни простых. Хочется думать, что вместо физического получения и измерения белка мы могли бы просто рассчитать по его аминокислотной последовательности, какую форму он примет. Специфика генетического кода позволяет нам без труда определять порядок аминокислот в белке по последовательности нуклеотидов в ДНК, о чем мы подробнее поговорим в следующей главе. В теории, раз мы понимаем физику электрических сил, гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, мы могли бы просто загрузить аминокислотную последовательность в несложную компьютерную программу, которая произведет необходимые вычисления и остановится, обнаружив оптимальную молекулярную укладку. На практике же число возможных конформаций так велико, что даже самым быстрым компьютерам сложно изучить их все.

19

Это уже упоминавшаяся рентгеновская кристаллография (рентгеноструктурный анализ).

Для решения этой вычислительной проблемы разрабатывают хитроумные подходы: одни направлены на улучшение алгоритмов расчета сил и энергий, другие прибегают к упрощениям вроде группировки наборов атомов, третьи обращаются к нетрадиционным компьютерным архитектурам. Так, можно сконструировать нестандартный компьютер, интегральные схемы которого изначально созданы не для выполнения общих задач, а для расчета сил, действующих на аминокислоты. По такому пути пошел Дэвид Шоу [20] ¹¹, пустивший немалые доходы от управления инвестициями на разработку уникальных суперкомпьютеров для решения биофизической проблемы фолдинга белков. Можно использовать и обычные компьютеры, если они интегрированы в огромный, стихийно организованный массив. Так поступили авторы программы folding@home, которая работает в фоновом режиме на компьютерах добровольцев (войти в их число может любой желающий) и использует периоды простоя, чтобы распределять вычисления по десяткам тысяч устройств¹². А можно делать ставку и на человеческий ум. Например, исследователи из Вашингтонского университета создали бесплатную игру foldit, посвященную фолдингу белков: пользователи перемещают на экране аминокислоты, как фрагменты мозаики, а результаты их работы передаются ученым¹³. Также можно применять искусственный интеллект, обучив компьютерную нейронную сеть выявлять закономерности в известных белковых структурах и применять их для предсказания новых форм. В этом направлении пошла DeepMind, дочерняя компания Google, добившаяся выдающихся результатов и победы в конкурсе «Критическая оценка предсказания структуры белков» в 2020 году¹⁴. Эти и другие стратегии доказали свою состоятельность, но быстрый и универсальный метод расчета структуры, которую примет аминокислотная последовательность, все еще не найден.

20

Дэвид Эллиот Шоу – американский миллиардер-биоинформатик, основатель хедж-фонда D. E. Shaw & Co и университетский профессор, увлеченный симуляцией молекулярной динамики белков.

Человеку даже как-то унизительно признавать, что сами белки без труда решают проблему фолдинга, за долю секунды принимая нужную форму в каждой клетке каждого существа на Земле. Самосборка вызывает восхищение: она позволяет форме возникнуть из элементов и сил, неотъемлемых от самих природных веществ. Мы узнаем, что стоит за стремительностью и надежностью этого процесса, в главе 6, где речь пойдет о молекулярной случайности. Но сначала давайте изучим связь белков и ДНК, дадим определение гену и заложим основы для выяснения того, как самособранные структуры формируют схемы принятия решений в клетках.

Глава 3. Гены и механика ДНК

Мы назвали ДНК кодограммой, но что именно она кодирует? Мы бросили взгляд на несколько белков из огромного множества тех, что способен производить организм, но чем определяется их набор? Ответить на оба вопроса нам поможет одно понятие – понятие гена: оно объединяет абстрактную идею биологической информации с физической реальностью биологических молекул. Как сильные, так и слабые стороны генов неразрывно связаны с физическими свойствами ДНК, белков и среды, в которой они существуют. Обсуждая генетические болезни, мы далеко не всегда вспоминаем о проблемах изгибания ДНК или укладки молекул в малые пространства, но скоро мы увидим, что такие неочевидные вопросы играют важную роль в изучении механики жизни. Самосборка в этой главе опять окажется на первом плане, поскольку ДНК и белки, например, должны соединяться для правильной упаковки генома. Вопросы предсказуемой случайности, масштабирования и регуляторных цепей тоже неизбежны в работе с нашим генетическим материалом, ведь клетки, организуя свою ДНК, постоянно решают проблемы размера, формы и беспорядка.

Что такое ген?

Как мы выяснили, белок – это последовательность аминокислот, соединенных химическими связями. Порядок аминокислот в цепи задается нуклеотидной последовательностью ДНК клетки. Одну аминокислоту кодирует группа из трех нуклеотидов (триплет). Так, в ДНК-последовательности TГГ закодированы инструкции для включения в цепь одной гидрофобной аминокислоты триптофана. Триплеты ЦГT и ЦГЦ соответствуют положительно заряженной аминокислоте аргинину. Таким образом, последовательность TГГЦГT указывает на триптофан, связанный с аргинином. Не существует, однако, механизма, напрямую переводящего инструкции ДНК в аминокислотные последовательности. Всегда необходим посредник – молекула РНК (рибонуклеиновой кислоты).