чной структурой. А спирали и другие мотивы вторичной структуры могут образовывать своего рода трехмерный клубок — третичную структуру. Роль белков в биологических процессах определяется не только их химическим составом, но и конкретной формой этого трехмерного клубка, однако установить эту форму до появления высокоскоростных компьютеров было чрезвычайно сложной и трудоемкой задачей. До 1971 г. ученым удалось полностью определить трехмерное строение всего лишь семи белков; сегодня их число превысило 30 000. Тем не менее в 1944 г., когда было установлено, что «трансформирующий фактор» Фредерика Гриффита — это ДНК, молодая наука биомолекулярная кристаллография была почти готова принять следующий вызов.
После того как в 1928 г. были опубликованы результаты опытов Гриффита, другие исследователи попытались выяснить, чем является то, что передается от одного штамма бактерий к другому. Ключевую роль в этих исследованиях сыграл Освальд Эвери (1877–1955), возглавлявший группу ученых в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке. Эвери изучал пневмонию с 1913 г. и поначалу скептически отнесся к открытию Гриффита, которое на первый взгляд противоречило результатам исследований его коллег по определению различных штаммов пневмококков. Но его собственные эксперименты и эксперименты других групп вскоре подтвердили открытие Гриффита и обозначили новое направление поисков.
В 1931 г. группа Эвери обнаружила, что процесс трансформации может происходить даже без участия мышей. Выращивая пневмококки R в чашках Петри (это стандартный плоский лабораторный сосуд), в которых также находились мертвые пневмококки S, ученые смогли превратить живые пневмококки R в живые пневмококки S. Чтобы определить трансформирующий агент, они сначала последовательно замораживали и нагревали колонии бактерий типа S, чтобы разрушить клетки и получить жидкость, в которой их внутреннее содержимое было смешано с фрагментами их оболочек. Эти фрагменты отделили при помощи вращения пробирок со смесью на центрифуге: плотные фрагменты оболочек оседали на дно, а жидкость с внутренним содержимым оставалась наверху. Этой жидкости оказалось достаточно, чтобы трансформировать пневмококки R в пневмококки S.
Выяснение всех этих подробностей заняло немало времени, но к 1935 г. это было сделано. К следующему этапу исследований Эвери привлек еще двух исследователей — сначала уроженца Канады Колина Маклауда (1909–1972), а затем Маклина Маккарти (1911–2005), чтобы они помогли ему тщательно изучить трансформирующую жидкость. На завершение этой работы у них ушло почти десять лет: они по одному выявляли отдельные компоненты клетки, которые не отвечали за трансформацию, пока у них не остался всего один подозреваемый.
Первым кандидатом на роль трансформирующего агента был белок. Поэтому исследователи добавили в полученную из S-бактерий жидкость протеазу — фермент, который расщепляет молекулы белка на составляющие. Но жидкость все равно не утратила свои трансформирующие свойства. Затем они рассмотрели возможность того, что процесс изменения связан с гладкой оболочкой бактерий, состоящей из полисахаридов. Они проверили это предположение, применив другой фермент, который расщеплял полисахариды, но это тоже никак не повлияло на происходящее. Тогда им пришлось при помощи долгой череды химических процессов удалить все следы белков и полисахаридов, а потом провести тщательный химический анализ того, что осталось. Этот анализ показал, что, судя по соотношению углерода, водорода, азота и фосфора, в растворе оставалась нуклеиновая кислота. Последняя серия экспериментов показала, что это ДНК, а не РНК.
Результаты этого открытия были опубликованы в 1944 г., после чего не осталось никаких сомнений, что трансформирующим агентом является ДНК. В своей статье команда Эвери не заявила, что ДНК является тем материалом, из которого состоят гены, но Эвери упоминал об этом в частных беседах, в том числе в письме своему брату Рою, который был бактериологом{36}. Однако идея, что не белок, а ДНК несет наследственную информацию, была настолько шокирующей, что она далеко не сразу получила широкое признание среди биологов. Большинство из них по-прежнему были убеждены, что молекула ДНК слишком проста, чтобы выполнять эту функцию; по мнению многих, скоропалительно было утверждать, что ДНК является активным участником настоящих генетических процессов, только исходя из того, что ДНК отвечает за трансформацию клеток. К тому же новости в то время распространялись достаточно медленно, в том числе и потому, что шла Вторая мировая война. Но, несмотря на сомнения мирового научного сообщества, исследования Эвери, Маклауда и Маккарти вдохновили американских биохимиков продолжить работу в этом направлении. Так появилась наука молекулярная генетика. Но прошло еще несколько лет, прежде чем накопилось достаточно информации о генетическом материале и чаша весов окончательно склонилась в пользу ДНК благодаря другому блестящему эксперименту. Тем временем еще одним из главных героев рассказа о ДНК был разработан новый метод исследования биомолекул.
Эта новая идея была детищем американского химика Лайнуса Полинга (1901–1994), и она пришла ему в голову в 1948 г., когда он изучал дифракционные картины, которые возникали при рентгеновском облучении кристаллов определенных белков.
Мы уже упоминали один тип белков — глобулярные молекулы, которые выполняют всю работу в организме, — вроде белка гемоглобина, который переносит кислород в крови. Но существуют и другие белки, тоже состоящие из длинных цепочек, которые называются полипептидами. В таких фибриллярных белках молекулы не сворачиваются в клубки, а в основном выглядят как тонкая вытянутая цепочка. Они являются важными строительными материалами организма — из них, например, состоят волосы, перья, мышцы, шелковые волокна и рога.
Первые снимки рентгеновской дифракции на фибриллярном белке были получены в 1930-х гг. Уильямом Астбери (1898–1961) из Лидского университета. Этот ученик Уильяма Брэгга изучал кератин — компонент шерсти, волос и ногтей. Снимки были недостаточно четкими для того, чтобы можно было определить точное строение кератина, но на них был виден повторяющийся мотив, из чего было понятно, что строение этого белка является простым. На самом деле он обнаружил два мотива: первый, в ненатянутых волокнах, Астбери назвал альфа-формой; второй, в натянутых волокнах, он назвал бета-формой.
Лайнус Полинг первым вывел правила квантовой химии и подробно описал их в своей эпохальной книге{37}. Его очень интриговала возможность использовать свои познания в химии для определения строения биомолекул, и он позже вспоминал, как «потратил все лето 1937 года на поиски способа скрутить полипептидную цепь в трех измерениях в соответствии с данными, полученными Астбери в ходе экспериментов с рентгеновским излучением»{38}. Сначала он хотел решить эту задачу, выяснив, могут ли атомы за счет своих квантовых свойств сцеплять между собой компоненты молекулы, но эта попытка окончилась неудачей, и поэтому он решил начать с основ и изучить строение аминокислот, которые являются звеньями полипептидной цепи, прежде чем определить, как они укладываются одна к другой. Но это был не единственный проект, которым он занимался в 1940-е гг.; как многим ученым, ему помешала Вторая мировая война, и он завершил его очень нескоро.
Он начал с изучения снимков рентгеновской дифракции отдельных аминокислот. Полинг работал в Калифорнийском технологическом институте вместе с Робертом Кори (1897–1971), и ему очень пригодились познания Кори в области квантовой физики. Многие химические связи позволяют прокручиваться атомам или химическим группам по обе стороны от этой связи. Но Полинг и Кори обнаружили, что пептидная связь между углеродом и азотом (отсюда и название «полипептиды») зафиксирована из-за квантового явления, которое называется «резонанс». Звенья цепочки не могут вращаться вокруг таких связей, и поэтому отдельные части цепочки жестко зафиксированы[50]. Это ограничивает способность всей цепочки изгибаться и сворачиваться. Она состоит из двух гибких звеньев, затем одного жесткого, затем опять двух гибких, затем еще одного жесткого и т. д. Но Полинг все равно не мог придумать, как сложить цепочку так, чтобы она соответствовала фотографиям Астбери, и поэтому отложил эту головоломку в сторону до тех пор, пока в 1948 г. на него не снизошло озарение.
В 1948 г., хотя его основным местом работы являлся Калифорнийский технический институт, Полинг отправился в Англию, в Оксфордский университет. Весной он сильно простудился и был прикован к постели и, когда ему наскучило читать фантастику и детективы, он решил предпринять еще одну попытку определить строение кератина.
Не имея под рукой практически никаких инструментов, Полинг просто нарисовал длинную полипептидную цепочку на длинной полоске бумаги. Он помнил расстояния между ее компонентами и углы, под которыми они располагались относительно друг друга. Но оказалось, что цепочку с этими параметрами невозможно воспроизвести на прямом и плоском листе бумаги. Одно конкретное звено, которое снова и снова повторялось в разных местах на протяжении всей цепи, всегда выглядело неправильно. Положение этого звена, которое должно было располагаться под углом 110 градусов, нельзя было изменить, потому что оно было зафиксировано квантовым резонансом между атомами углерода и азота. Чтобы соответствовать этому углу, цепочка не могла быть прямой. Тогда Полинга озарило, и он смял полоску бумаги, согнув ее в тех местах, где находились эти ключевые звенья, чтобы получить верный угол в 110 градусов. Согнутая полоска бумаги теперь стала похожа на штопор с повторяющимися звеньями, которые располагались в пространстве подобно спирали. Более того, верные углы позволили азотно-водородной группе одной пептидной связи оказаться рядом с атомом кислорода, прикрепленным к углероду, который располагался в цепочке на четыре звена дальше. И так происходило по всей длине цепочки. Атомы кислорода и водорода обладают определенным сродством, вызванным квантовыми эффектами, и притягиваются друг к другу посредством так называемой водородной связи. Эти водородные связи помогают зафиксировать спиралевидную структуру, которую обнаружил Полинг.