роцесс набухания клеток при действии растворов различных солей – явление осмоса. Его интересовала также зоология: он коллекционировал скелеты различных животных – рыб, лягушек, змей, черепах, а знакомый студент-медик подарил ему для коллекции несколько человеческих костей. Во время обучения в средней школе (1953–1963) его интересовала прежде всего биология. В то время она была скорее описательной, нежели экспериментальной наукой. Структура ДНК появилась в учебниках уже после того, как Чехановер окончил школу. После школы каждому выпускнику необходимо было пройти службу в армии, к чему молодые израильтяне всегда относились с воодушевлением. Если же молодой человек хотел получить профессию, представлявшую интерес для армии (например, выбирал область медицины), то ему давали возможность учиться далее. В 1965 г. Аарон поступает на медицинский факультет Еврейского университета в Иерусалиме. Постепенно у молодого студента-медика возникает неудовлетворенность от занятий медициной – прежде всего из-за отсутствия научных представлений о механизме многих заболеваний. С 1969 г. Чехановер начинает заниматься биохимией, первая его работа – изучение влияния фермента фосфотазы при различных заболеваниях печени. В 1974 г. он оканчивает университет и уже твердо знает, что его призвание – биохимия. Коллеги посоветовали продолжить обучение у молодого талантливого биохимика Аврама Гершко, который незадолго до этого стал деканом факультета медицины Техниона в г. Хайфе. Так началось их успешное сотрудничество.
Первое время Чехановер совмещал научную работу с работой в клинике. В лаборатории он часто проводил вечера и ночи, исследуя превращения фосфолипидов в организме. В течение трех лет он служил судовым врачом на военном корабле, периодически совмещая службу с чтением лекций по биохимии студентам-медикам. О годах военной службы он вспоминает с большим удовольствием, поскольку, по его словам, армия – плавильный котел, из которого выходишь, получая верных друзей на долгие годы.
В 1976 г., работая под руководством А. Гершко, Чехановер обратил внимание на то, что разложение дефектного гемоглобина протекает с поглощением энергии. Это было отправным пунктом масштабного исследования. В 1979 г. Чехановер приезжает в онкологический центр Филадельфии для проведения совместных исследований с признанным авторитетом в биохимии – Ирвином Роузом (партнером по будущей Нобелевской премии), к этому моменту Гершко (шеф Чехановера) работал вместе с Роузом уже больше года. Произошло необычайно удачное и плодотворное объединение усилий трех специалистов. По словам Чехановера, именно знание и мудрость старшего коллеги Ирвина Роуза помогли разобраться с накопившимися экспериментальными результатами. 1976–1981 годы были наиболее успешными: Чехановер, Гершко и Роуз сформулировали основные принципы работы убиквитиновой системы. В течение трех лет (1981–1984) Чехановер работает в Массачусетском технологическом институте, после чего возвращается в Израиль и занимает должность заведующего лабораторией в отделе биохимии Технологического института в Хайфе – там, где он в свое время получил высшее образование. Его последующие работы связаны с изучением убиквитиновой системы.
Работа в биохимии, по мнению Чехановера, требует настойчивости при решении задач, которая сопоставима с поисками путей в сложном лабиринте: ученый постепенно отделяет направления исследований друг от друга, как слои от головки репчатого лука. Чехановер полагает, что дальнейшее развитие современной медицины неизбежно будет тесно связано с успехами в биохимии.
Примечательно, что Нобелевская премия была присуждена за совместную работу команде из трех ученых, представляющих две разные и далекие друг от друга страны, – это замечательный пример научного сотрудничества, которому не смогли помешать никакие расстояния.
Светящиеся животные
Все науки настолько связаны между собою, что легче изучать их все сразу, нежели какую-либо одну из них в отдельности от всех прочих.
Во времена Декарта, автора эпиграфа, науки не разделяли на физику, химию, биологию и т. п. Ученые изучали природу, и областью их интересов (пользуясь современным языком) было естествознание. В наше время следовать совету Декарта не так-то просто: современная химия состоит из органической, неорганической, биохимии, физической химии и еще некоторых других крупных разделов, причем в каждой области – свои методы исследования и свой язык. Однако современная ситуация показывает, что границы между многими науками становятся все более размытыми. Зачастую трудно указать, где кончается биология и начинается физика или химия. Лауреатами Нобелевской премии 2008 г. по химии стали американские ученые-биохимики Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Тсиен. Они удостоены самой престижной научной награды за получение и разработку различных форм зеленого флуоресцентного белка, в английском написании – GreenFfluorescentProtein. В научной литературе этот белок принято сокращенно обозначать как GFP, и далее будем пользоваться именно этим сокращением.
Премированная работа – это интересный пример пересечения научных интересов разных ученых; судьбы некоторых из них сложились весьма драматично. Работа имеет не только большое научное, но и эстетическое значение. Интересно, что авторы никогда не работали вместе, но обстоятельства сложились таким образом, что усилия каждого из них привели к важному общему результату.
Способность некоторых веществ испускать свет называют люминесценцией. Многие, вероятно, видели в темноте свечение древесных гнилушек, светлячков или ночное свечение волн морского прибоя. Когда люминесценцию производят вещества в живых организмах, то это называют биолюминесценцией. Наука никогда не довольствовалась простыми наблюдениями – далее необходимо было описать явление, что в 1761 г. проделал датский зоолог Петер Форскол. Во время экспедиции на корабле по Северному морю он заметил в воде странное свечение: оказалось, что светятся небольшие (диаметром 2–3 см) медузы. Форскол выловил несколько таких медуз и поместил их в ведро, а затем приступил к наблюдениям. Оказалось, если их слегка потревожить, они начинают светиться ярким зеленым цветом. Медузы получили название «эквореи» (Aquorea, от лат. aqua – «вода»), с этого начался долгий путь исследования процессов биолюминесценции.
Среди наземных обитателей светящихся организмов немного: колонии некоторых бактерий, отдельные виды грибов и насекомых; как правило, их свечение непрерывно. Кстати, свечение древесных гнилушек вызвано грибницей опенка в результате химических процессов при окислении.
Громадное количество светящихся существ (более тысячи видов) – среди обитателей морских глубин. Свечение моря волновало людей с незапамятных времен, вызывая не только изумление и восхищение, но и суеверный страх. Отсутствие научных знаний подводило человека к фантастическим объяснениям, отразившимся в мифах, легендах и сказках. Во многих случаях свечение морских обитателей – импульсное: они испускают короткие световые вспышки длительностью 0,1–1 с. Эти вспышки необходимы для отпугивания хищников или быстро движущихся животных, которые при случайном столкновении могут механически повредить нежный светящийся организм – такой как у медузы. У некоторых глубоководных рыб надо ртом имеется подвижный отросток – "удилище", а на нем – световая приманка для жертвы. Другие рыбы используют вспышки для освещения окружающего пространства.
Вначале отметим, что живым организмам позволяют светиться принципиально различные процессы. Во-первых, это набор биохимических реакций с участием специальных ферментов (биокатализаторов). Такое свечение использует энергию химической реакции и может продолжаться до тех пор, пока не будут исчерпаны необходимые реагенты.
Существует и иной механизм свечения: вещество поглощает из внешнего источника (например, дневное освещение) ультрафиолетовую часть спектра, которая обладает высокой энергией. В результате молекула переходит в возбужденное состояние, но может пребывать в нем очень недолго. Чтобы вернуться к "нормальному" состоянию, ей необходимо избавиться от излишка энергии, которую она получила с ультрафиолетовым облучением, что достигается излучением света, – это и есть флуоресцентный свет. Поскольку часть энергии была потрачена на переход молекулы в возбужденное состояние, испускаемый свет имеет бóльшую длину волны – сдвигается в сторону красной части спектра, что соответствует более низкой энергии. Общее правило флуоресценции – испускающийся свет всегда имеет бóльшую длину волны, нежели поглощенный.
Итак, при флуоресценции не требуются какие-либо реакции с участием ферментов – нужна лишь ультрафиолетовая подсветка. Именно таким свойством, как оказалось, обладает зеленый флуоресцентный белок GFP, имеющийся у медузы эквореи – той самой, которую впервые описал П. Форскол. Этот белок при облучении ультрафиолетовым или синим светом дает голубовато-зеленое свечение.
Осаму Симомура – первый из упомянутых нами лауреатов – сумел в 1962 г. выделить из организма медуз этот флуоресцентный белок GFP.
Структура GFP была расшифрована гораздо позже (в 1996 г.) в лаборатории Ремингтона. Молекула имеет форму, близкую к цилиндрической, образованную лентами белковых цепей. Внутри цилиндра расположена хромофорная (греч. χρωμοφόρου – «несущий свет») группа – она показана в виде конструкции из шариков. Эта группа химически связана с основной белковой молекулой (рис. 2.8, а – структура GFP; б – строение хромофорной группы).
На первый взгляд кажется, что строение хромофорной группы достаточно сложное, и непонятно, как она возникает. На самом деле ее образование – результат трех весьма простых последовательных стадий: в результате каждой стадии в качестве побочного продукта выделяется вода. Все происходит внутри белкового цилиндра, показанного на рис. 2.8а. Биохимики давно знают, что внутри живого организма все белковые молекулы собираются из известных аминокислот.