Все живые организмы должны постоянно и надежно снабжаться энергией, и в конечном счете все они производят энергию с помощью одного и того же процесса: управления потоком протонов через мембранную перегородку для получения АТФ. Если и есть что-то отдаленно напоминающее «искру» – источник жизни, то это, скорее всего, именно этот мини-поток электрических зарядов через мембрану. Однако в этом нет ни капли мистики, это хорошо известный физический процесс. Это делают бактерии, активно прокачивая протоны через свою наружную мембрану, а более сложные клетки эукариотов – в специальной зоне, митохондрии.
В совокупности все эти различные уровни организации пространства в клетках – от невообразимо малых точек стыковки в отдельных ферментах до сравнительно большого ядра, содержащего хромосомы, – указывают на новый подход к пониманию устройства клетки. Когда мы видим прекрасные и хитроумные картины, видные через сегодняшние мощные микроскопы, то глядим на сложную и постоянно изменчивую сеть организованных и взаимосвязанных химических микросред. Такое представление о клетках так же далеко от клеток, как простенькие детальки конструктора Lego от более сложных тканей и органов растений и животных. Каждая клетка – самостоятельный, законченный и тонко организованный живой мир.
Шаг за шагом, с той поры, как Лавуазье задался вопросом о том, как происходит ферментация, биологи пришли к осознанию, что даже самое сложное поведение клеток и многоклеточных тел может быть понято с точки зрения химии и физики. Такой подход был очень важен для меня и моих коллег по лаборатории, когда мы попытались понять, как управляется клеточный цикл. Мы открыли ген cdc2 как регулятор клеточного цикла, но далее захотели узнать, что на самом деле делает ген. Какие на деле химические и физические процессы запускает белок, сделанный cdc2?
Чтобы разобраться с этим, нам потребовался переход из довольно абстрактного мира генетики в более конкретный, механистичный мир клеточной химии. Это значило иметь дело с биохимией. Биохимия тяготеет к более минималистскому подходу, описывая химические механизмы во всех подробностях, тогда как генетический подход более глобален; биохимия рассматривает поведение живой системы как нечто целое. В нашем случае генетика и клеточная биология продемонстрировали, что ген cdc2 – важный регулятор клеточного цикла, а биохимия была нужна, чтобы показать как белок, созданный геном cdc2, работает в рамках молекулярных процессов. Оба подхода дают разные объяснения; когда же они согласуются друг с другом, появляется уверенность, что стоишь на правильном пути.
Выяснилось, что белок cdc2 – фермент под названием «протеинкиназа». Эти ферменты ускоряют реакцию, называющуюся фосфорилированием, которая добавляет к другим белкам небольшую фосфатную молекулу с сильным отрицательным зарядом. Чтобы cdc2 действовал как протеинкиназа, он сначала должен соединиться с другим активирующим его белком, называющимся «циклин». Вместе cdc2 и циклин формируют активный белковый комплекс, называющийся «циклин-зависимая протеинкиназа», или короче CDK (Cyclin Dependent Kinase). Циклин был открыт и поименован моим другом и коллегой Тимом Хантом. Этот белок получил свое название, поскольку его концентрация изменяется в течение клеточного цикла, при этом изменения составляют часть механизма, используемого клеткой для обеспечения «включения» и «выключения» комплекса CDK в правильный момент времени. Поэтому название «циклин» намного лучше cdc2!
Когда активный комплекс CDK фосфорилирует другие белки, добавляемая им отрицательно заряженная фосфатная молекула изменяет форму и химические свойства этих белков. Это, в свою очередь, меняет характер их работы. Это может активировать другие ферменты, например, равно как и добавление циклина к белку cdc2 создает активный CDK. Поскольку протеинкиназы типа CDK могут быстро фосфорилировать одновременно многие иные белки, эти ферменты часто используются в клетках в роли переключателей. Вот это и происходит в клеточном цикле. Такие процессы, как копирование ДНК в фазе синтеза в начале клеточного цикла и расхождение скопированных хромосом в ходе митоза, требуют согласованного действия многих различных ферментов. Благодаря одновременному фосфорилированию больших количеств таких различных белков CDK может контролировать сложные клеточные процессы. Следовательно, понимание фосфорилирования белков становится ключом к пониманию управления клеточным циклом.
Трудно подыскать слова, чтобы передать мою радость, когда удалось со всем этим разобраться и увидеть, каким образом cdc2 оказывает огромное влияние на клеточный цикл. Это был настоящий момент истины. Программа исследований в моей лаборатории сместилась с выявления генов в дрожжах, таких как cdc2, управляющих клеточным циклом, к демонстрации того, что это управление одинаково во всех эукариотах, от дрожжей до человека, и, наконец, к определению молекулярного механизма, который все это совершает. На это ушло, однако, довольно долгое время, в общей сложности около пятнадцати лет при участии примерно десяти сотрудников лаборатории. И, как это обычно бывает в науке, большой вклад внесли также многие другие лаборатории по всему миру, в которых изучали клеточный цикл самого широкого круга живых организмов, в числе которых были морские звезды и морские ежи, дрозофилы, лягушки, мыши и, наконец, люди.
По большому счету жизнь появляется в результате относительно несложных и хорошо известных реакций химического сцепления и отталкивания, создания и разрыва молекулярных связей. Тем или иным образом эти основополагающие процессы, действующие en masse в миниатюрном молекулярном масштабе, объединяются, чтобы создать бактерии, которые умеют плавать, лишайники, растущие на скалах, цветы, за которыми мы ухаживаем у себя в саду, порхающих бабочек, вас и меня, способных написать и прочесть эти страницы. Представление о том, что клетки и, следовательно, живые организмы удивительно многосложны, но доступны для понимания как химические и физические машины, сегодня общепринято, когда мы размышляем о жизни. Сейчас, основываясь на таком подходе, биологи стараются охарактеризовать и каталогизировать все составляющие этих поразительно сложных живых механизмов. Чтобы этого добиться, в нашем распоряжении теперь имеются высокоэффективные технологии, позволяющие глубоко изучать чрезвычайную многогранность живых клеток. Можно взять клетку или группу клеток, секвенировать все содержащиеся там молекулы ДНК и РНК, идентифицировать и подсчитать тысячи разных видов присутствующих в них белков. Можно также описать во всех подробностях все встречающиеся в клетках жиры, сахара и другие молекулы. Эти технологии неимоверно расширяют диапазон восприятия, наделяя нас новым и всесторонним представлением о невидимой и постоянно изменчивой компоновке клеток.
Открытие новых перспектив влечет за собой и новые вызовы. Как выразился Сидней Бреннер: «Мы тонем в данных, но томимы жаждой знаний». Его заботило то, что слишком многие биологи тратят массу времени на регистрацию и детальное описание живой химии, не всегда полностью понимая, что все это значит. Главное, что необходимо для превращения всех этих данных в полезное знание, – это понимание того, как живые существа обрабатывают информацию.
Это пятая из великих биологических идей, и сейчас мы к ней приступим.
5Жизнь как информацияЕдиное целое
Что заставило ту желтую бабочку решиться залететь в сад моего детства в то давно минувшее лето? Голод, поиск места для кладки яиц или бегство от охотящейся птицы? Или просто отклик на врожденную потребность исследовать мир? Естественно, мне неизвестно, почему бабочка так себя вела, но могу сказать, что она вступала в общение с окружающим миром и потом начинала действовать. И для этого ей нужно было обрабатывать информацию.
Информация занимает центральное положение в существовании бабочки да и всей жизни в целом. Чтобы живые организмы могли эффективно действовать как сложные, организованные системы, им нужно постоянно собирать и использовать информацию о внешнем мире, в котором они живут, и о своем внутреннем состоянии. Когда эти миры – внешний или внутренний – изменяются, организмам нужны способы, чтобы обнаружить изменения и отреагировать на них. Если они этого не сделают, их будущее может оказаться весьма недолгим.
Как сказанное относится к бабочке? Пока она тут летала, ее восприятие выстраивало детальную картину сада. Ее глаза улавливали свет; ее антенны брали пробы молекул разных химических веществ рядом с ней, а ее волоски следили за колебаниями воздуха. В сумме она собирала массу информации о саде, где я находился. Затем она обобщила все эти различные сведения, преобразуя их в полезные знания для последующих действий. К этим знаниям могли относиться обнаружение птичьей тени или назойливо любопытного ребенка или узнавание запаха цветочного нектара. Следствием была упорядоченная последовательность взмахов крыльев, чтобы скрыться от птицы или сесть на цветок для кормления. Бабочка комбинировала сведения из множественных и различных источников информации и пользовалась ими для принятия решений со взвешенными последствиями, решающими для ее будущего.
Зависимость живых существ от информации тесно связана с целеустремленностью. Информация, которую собирала бабочка, имела некий смысл. Она использовалась бабочкой, чтобы помочь ей решить, что нужно сделать далее, чтобы достичь определенной цели. Это значит, бабочка действовала целенаправленно.
Биология – область науки, где часто есть смысл говорить о цели. В противоположность этому в физических науках странно спрашивать о цели реки, кометы или гравитационной волны. Но есть смысл спрашивать о цели гена cdc2 в дрожжах или полета бабочки. Все живые организмы поддерживают и организуют свое существование, растут и воспроизводят себя. Такое целевое поведение развилось, потому что оно повышает шансы живых существ достичь своей главнейшей цели, а именно продления существования себя и своего потомства.