пользовательский объект: Источник синхротронного излучения (SRS) в лаборатории Дарсбери, Великобритания. Правительства по всему миру начали строить ускорители частиц не для ядерной физики, а для удовлетворения потребностей широкого круга научных и коммерческих пользователей. К 1974 году в мире насчитывалось более 10 синхротронных установок, спроектированных и построенных специально для генерации синхротронного излучения.
Изображения могут быть получены с использованием синхротронного излучения путем помещения образцов в световое поле в вакуумной камере и записи результата, первоначально при помощи фотопластинок, как было в 1970-х годах, а в настоящее время – цифровых детекторов. Исследуемые образцы могут быть невероятно разнообразными: примеры включают в себя шоколад, сталь и даже кусочки морского огурца.
Область, которая, возможно, выиграла от синхротронного излучения куда больше, чем любая другая, – это структурная биология. Здесь огромную роль играют физические структуры в микроскопическом масштабе: то, как сворачиваются белки, возникают болезни и даже сама структура ДНК. Как объяснил оксфордский профессор биологии Дэвид Стюарт в интервью для медицинского факультета Наффилда, структурные биологи занимаются очень подробным изучением биологии, подобно тому как для знакомства с принципом работы автомобиля надо изучить каждую его деталь – как она взаимодействует с другими частями и как все вместе они составляют машину. Организмы, подобные нам, состоят из триллионов клеток, которые обладают поразительным разнообразием внутренних компонентов, действующих на наноуровне. Когда мы понимаем, как работает биология в таком масштабе, это дает нам возможность принимать меры, когда что-то идет не так.
Нынешнее понимание структурной биологии во многом обязано рентгеновской кристаллографии – жемчужине в короне методов визуализации. Этот метод использовался задолго до того, как появились источники синхротронного излучения, и на его основе было присуждено не менее 28 Нобелевских премий.
Все началось с того, что Уильям и Лоуренс Брэгги из Университета Аделаиды, британо-австралийские физики, отец и сын, в 1913 году взяли источник рентгеновского излучения и направили его на кристалл соли. Появившаяся дифракционная картина, как они поняли, могла рассказать им о структуре самого кристалла, вплоть до уровня атомов[170]. Вслед за ними ученые усовершенствовали эту технику, чтобы разгадать структуру практически каждой важной молекулы и материала. Кэтлин Лонсдейл (коллега Уильяма Брэгга) в 1929 году с помощью рентгеновской кристаллографии выяснила, что бензольное кольцо является плоским, в то время как Дороти Ходжкин определила структуру пенициллина (1949), витамина В12 (1955) – достижение, за которое она получила Нобелевскую премию в 1964 году, – и инсулина (1969), последняя задача заняла у нее 34 года. В 1952 году Розалинд Франклин, как известно, использовала рентгеновскую кристаллографию для получения так называемой фотографии 51, показывающей двуспиральную структуру ДНК. Таким образом были определены структуры графита, графена, гемоглобина, миоглобина и бесчисленного множества других веществ, и все это было сделано с помощью обычных рентгеновских трубок. Но с появлением источников синхротронного излучения кристаллография стала значительно более мощной и остается таковой по сей день.
Благодаря синхротронам были совершены огромные прорывы в фундаментальной науке. Используя кристаллографию, сэр Джон Уокер и другие раскрыли структуру аденозинтрифосфата (АТФ) – молекулы, которая транспортирует и накапливает энергию во всех растительных и животных организмах, включая человека. Роджер Корнберг выяснил, как гены копируют сами себя с помощью мРНК, а Венкатраман Рамакришнан и его коллеги исследовали структуру рибосомы. Все это открытия, удостоенные Нобелевской премии. Обратите внимание, что эти прорывы не связаны с ядерной физикой или физикой элементарных частиц – областями, которые в первую очередь привели к случайному открытию синхротронного излучения.
Поначалу все это вкупе с научной мощью может показаться далеким от повседневной жизни, но стоит понимать, что наше знание основ биологии вирусов тоже зависит от рентгеновской кристаллографии. Это внезапно приобрело неотложное значение, когда COVID-19 впервые появился в Ухане, Китай, в конце 2019 года. Вирус SARS-CoV-2 содержит 28 белков. Эти белки представляют собой цепочки молекул, свернутые строго определенным образом, – представьте себе намеренно спутанный клубок шерсти. После сворачивания остаются так называемые активные центры, на которые можно воздействовать химическими соединениями. Структурные биологи могут копировать эти белки для изучения, используя их генетическую структуру для клонирования. Но сначала кто-то должен секвенировать геном вируса.
После того как вирус был впервые обнаружен в Китае 29 декабря, всего через 12 дней стали доступны шесть вирусных последовательностей. К 5 февраля 2020 команда Цзыхе Рао и Хайтао Яна из университета ШанхайТех внесла структуру главной протеазы (протеаза расщепляет белки, но также необходима для репликации вирусов, а потому это привлекательная цель при разработке лекарств) в Банк данных белков (англ. Protein Data Bank) – онлайн-ресурс, который ученые по всему миру используют в качестве главного хранилища своих данных. Они определили эту структуру в Шанхайском центре синхротронного излучения. К тому времени команда уже активно поделилась информацией с более чем 300 исследовательскими группами по всему миру.
Прежде чем большинство правительств предприняли какие-либо действия, структурные биологи уже усердно работали с источниками синхротронного излучения по всему миру, создавая и изучая физические структуры белков, входящих в состав SARS-CoV-2. Все потому, что они знали: для того чтобы лекарство или вакцина были эффективными против вируса, человеческий организм должен вырабатывать молекулы, которые физически распознают, прикрепляются, а затем нейтрализуют и уничтожают нежелательный патоген. У любого варианта лечения или вакцинации одна и та же отправная точка: понимание того, как работает вирус. Ключ к этим знаниям лежит в структуре и функциях вируса. Как только мы поймем химическую основу для распознавания организмом вируса, мы можем попытаться разработать лекарство, снижающее его действие, или вакцину, которая заставит человеческий организм вырабатывать антитела. Главные сражения с пандемией COVID велись не в больницах, а в кольцеобразных зданиях размером с футбольное поле, в которых находились машины из области физики элементарных частиц.
На Австралийском синхротроне, в получасе езды от Мельбурна, доктор Элеонора Кэмпбелл работает в качестве специалиста по физике ускорителей, эксперта, который проводит эксперименты с синхротронным излучением и помогает другим ученым делать то же самое. Пока все остальные были отправлены домой на удаленную работу из-за разразившейся пандемии, Кэмпбелл была одной из немногих ученых, чья работа на этом объекте шла полным ходом. Она следила за экспериментальной станцией источника синхротронного излучения под названием MX2, используемой для макромолекулярной кристаллографии, которая позволяет ученым определять расположение и формы биологических молекул вплоть до атомов. В обычное время она работает в области химии, физики конденсированного состояния, инженерии, наук о Земле и материаловедения. Но в начале 2020 года вся работа была полностью посвящена исследованиям, связанным с COVID.
Экспериментальная станция получает синхротронное излучение из самого сердца объекта, непосредственно синхротрона, скрытого за большими бетонными защитными стенами. Основное кольцо выполнено из повторяющегося набора электромагнитов – железных блоков высотой по плечо, питаемых толстыми медными кабелями, – на которые с помощью меньшего ускорителя подаются высокоэнергетические (3 ГэВ) электроны. Специализированная оперативная группа посменно поддерживает круглосуточную работу. Электроны внутри синхротрона могут циркулировать и излучать свет в течение нескольких дней или недель, испуская излучение при непрерывном пополнении энергии. Когда один пучок электронов удаляется из машины, его место быстро занимает другой, так что пользователи едва могут заметить изменение в уровне излучения[171].
Ряд экспериментальных станций расположен по касательной к окружности кольца. Их расположение определяется «вставными устройствами», размещенными вокруг кольца для генерации синхротронного излучения. В настоящее время, вместо того чтобы просто использовать излучение, получаемое естественным образом в изгибающихся магнитах, «вставные устройства», называемые вигглерами и ондуляторами, буквально перемещают пучок, создавая луч, который можно настроить на определенную длину волны. Затем свет проходит через окно или порт, который выходит на экспериментальную установку, где ученые, готовые к сбору данных, проводят свои эксперименты, помещая образцы белков в держатель.
Первым шагом станет успешное превращение белка в кристалл, одна из самых сложных частей работы. Биологические молекулы большие и пластичные – иными словами, мягкие, – в то время как то, что мы обычно считаем кристаллами, к примеру соль, традиционно твердое. Работа Кэмпбелл заключается в том, чтобы убедить «массу биологической материи сформировать упорядоченный, твердый кристалл». Это процесс проб и ошибок, требующих тестирования многих реагентов – начиная с химикатов, которые работали в прошлом, – в точных количествах, пока не будет достигнут желаемый эффект. Если ученому повезет настолько, что из белков образуются кристаллы, ему все равно придется вылавливать крошечные кристаллы микрометрового размера с помощью миниатюрных нейлоновых петель. Эта ювелирная работа требует предельного терпения. Как только кристаллы готовы к изучению, исследовательские группы обычно берут с собой всю свою команду: они работают круглосуточно, чтобы максимально использовать отведенное им время. Однако во время пандемии многие исследовательские группы были вынуждены работать удаленно, в то время как Кэмпбелл и ее коллеги управляли установкой на месте.