Теломеры, рибосомы, фотоаппараты

Нобелевские премии – по физиологии и медицине и по химии – были присуждены за работы, которые велись и в нашей стране, но из-за отсутствия экспериментальной базы не могли быть завершены. Премия по физике – скорее реверанс в сторону высокотехнологичной промышленности, а не фундаментальной науки

Теломеры, рибосомы, фотоаппараты

Нобелевскую премию по физиологии и медицине в этот раз присудили Элизабет Блэкберн из Университета Калифорнии (Сан-Франциско), Кэрол Грейдер из Университета Джона Хопкинса и Джеку Шостаку из Медицинской школы Гарварда за открытие механизма защиты хромосом теломерами и ферментом теломеразой.

Еще в 1930-х годах генетики Герман Меллер и Барбара Мак-Клинток, изучая хромосомы дрозофилы и кукурузы, увидели, что при обламывании кончиков эти хромосомы либо гибли, либо стремились прилепиться к другой хромосоме, чтобы как-то закрыть свою «культю». Они предположили, что концы хромосом защищены специальными структурами, которые не дают хромосомам разрушаться. Именно Меллер дал этим хромосомным кончикам название теломеры. Позже выяснилось, что теломеры – концевые части хромосом, в которых ДНК не содержит структурных генов (с закодированной информацией о белках), а содержит последовательность многократно повторяющихся бессмысленных блоков нуклеотидов. Еще позже выяснилось, что эти бессмысленные кончики нужны как раз для сохранности генома – тех важных структурных генов, которые находятся в серединке ДНК. Теломеры с каждым делением клетки укорачиваются, а когда они достигают определенной длины, в которой уже чувствуется угроза для важных генов, клетка прекращает делиться.

Еще в 1960-е годы Леонард Хейфлик открыл, что клетки имеют свой жизненный лимит. В опытах он показал, что клетка делится определенное количество раз (в среднем 50). Но ученый не смел предположить, что остановка деления связана с какими-то изменениями в самой ДНК, ведь в то время стабильность ДНК была догмой. Первым, кто высказал гипотезу, что укорочение теломер – это механизм, который отсчитывает деление клетки, был советский ученый из Института биохимической физики РАН Алексей Оловников. Он же предположил, что в бессмертных клетках – половых и раковых – должна существовать некая ферментная система, наращивающая теломеры, чтобы они не становились слишком короткими и клетка не получала сигнала к самоубийству.

[inc pk='1621' service='media']

Идея этой гипотезы возникла у Оловникова после лекции в МГУ о лимите Хейфлика. Алексей Оловников вспоминает, как он шел после блестяще прочитанной еще одним нашим знаменитым ученым, Александром Фриденштейном, лекции по осеннему парку и напряженно думал, в чем же секрет лимита деления клетки. И страшно злился на себя, что не может додуматься. Он спустился в метро и услышал шум приближающегося поезда. И тут пришло озарение. Он представил себе, что рельсы – это ДНК, а специальный фермент ДНК полимераза, которая бежит по ДНК, образуя ее копию (или реплику), – это поезд. Когда поезд приходит в тупик, он не достигает самого конца рельсов, по аналогии в ДНК остается несчитанным этот небольшой участок. Но в метро рельсы так и остаются одной длины, а ДНК при каждом считывании будет укорачиваться. И с каждым делением клетки теломеры будут становиться все меньше и меньше. Эту идею Алексей Оловников высказал в 1971 году, опубликовав сначала статью в докладах Академии наук, а в 1973 году – в Journal Theoretical Biology. Идея, конечно, была превосходная, но ее же нужно было экспериментально проверить! «Я бегал к молекулярным биологам с просьбой заняться экспериментами, – рассказывает Алексей Оловников “Эксперту”, – а мне говорили: ты же вроде не дурак, что ж ты чушь несешь – всем известно, что геном стабилен и не может укорачиваться. Эта догма давила не только на Хейфлика». Оловников настаивал – ну попробуйте, все равно это сделают на Западе, давайте мы попробуем вырваться вперед.

И его предсказание сбылось.

В начале 1980-х Элизабет Блэкберн, изу чая хромосомы тетрахимены, одноклеточного организма пресных водоемов, обнаружила на концах все те же многократные повторы одних и тех же нуклеотидов. Она провела эксперименты, убедившись, что хромосомы без теломер быстро деградируют. О работе Блэкберн на одной из конференций услышал Джек Шостак. У него была проблема в экспериментах с созданными им искусственными хромосомами дрожжей, которые гибли при помещении их в дрожжевые клетки. Ученые решили присоединить к хромосомам, созданным Шостаком, теломеры тетрахимены и в таком виде поместить их в дрожжевые клетки. Эксперимент оказался успешным: защищенные хромосомы делились и жили длительное время в этих в клетках.

[inc pk='1622' service='media']

При дальнейших исследованиях выяснилось, что теломерные повторы универсальны для многих организмов, кроме бактерий, которым они просто не нужны, поскольку природой бактерии снабжены кольцевыми ДНК. Но уже у более сложных организмов ДНК и хромосомы линейные, и эволюция предложила такой универсальный и для простейших, и для млекопитающих, рептилий, птиц, рыб способ защиты генома.

Продолжая свои хромосомные изыскания, Блэкберн хотела обнаружить тот фермент, который способен восстанавливать теломеры после их укорачивания. Такой работой прицельно занялась ее аспирантка Кэрол Грейдер. И в 1984 году ей удалось обнаружить фермент, который, естественно, назвали теломеразой. Выяснилось, что это уникальный фермент, который в своем составе несет своеобразную матрицу РНК, синтезирующую теломерные повторы.

Но если в организмах есть такой замечательный фермент, который может наращивать теломеры, почему же клетки все же стареют и умирают? Оказалось, что в большинстве клеток теломераза «отключена». Она проявляет свою активность только в половых и стволовых клетках, которые должны неограниченно делиться. К сожалению, ту же активность теломераза проявляет и в раковых клетках.

Открытия, связанные с теломерами и теломеразой, конечно же, вызвали ажиотаж у публики. В прессе появлялись сенсационные заявления, что ученые быстро найдут возможность управлять теломеразой: в раковых клетках активность теломеразы будут укрощать, а в нормальных – активизировать, тогда клетки перестанут погибать и мы сможем жить вечно.

[inc pk='1623' service='media']

Но ученые понимали, что так просто не получится. И старение, и онкологические заболевания – явления многофакторные и до конца еще не изученные. Кстати, Алексей Оловников, предложивший в свое время теломерную гипотезу старения организмов, довольно быстро от нее отказался. У девяностолетнего старика, приводил ученый один из аргументов, еще приличный размер теломер, который мог бы позволить ему жить довольно долго. Тем не менее этого не происходит. Он придумал новую гипотезу, которую назвал редумерной (см. «Луна, которая нас убивает» в «Эксперте» № 21 за 2007 год).

Наша пресса сейчас много пишет о том, что Нобелевский комитет незаслуженно обошел Алексея Оловникова. Академик РАН Владимир Скулачев говорит, что он несколько раз номинировал в Нобелевском комитете и одного Оловникова, и Оловникова вместе с Блэкберн. Повезло последней. «Можно было бы перечислить ряд удивительнейших предсказаний, которые не были удостоены внимания Нобелевского комитета, – комментирует ситуацию профессор Университета Тафтса Сергей Миркин. – Если бы в советское время Оловникову была дана возможность развивать его исследования, то список лауреатов сегодня мог бы быть другим».

Кристаллизация рибосомы

[inc pk='1624' service='media']

Нобелевская премия по химии 2009 года вручена исследователям одной из главных биологических структур всех организмов, переводящей информацию ДНК на белковый язык жизни, – рибосомы. Премию разделили Венкатраман Рамакришнан из Кембриджа (Великобритания), Томас Стайц из Йельского университета (США) и Ада Йонат из Института Вайцмана (Израиль). Они смогли расшифровать структуру рибосомы и показать механизм ее работы. Всем известно, что без рибосомы генетическая информация, заложенная в ДНК, не смогла бы преобразоваться в различные белки, составляющие основу всего живого. С ДНК информация переносится на информационную, или матричную, РНК, матричная РНК, как нитка в иголку, проходит через рибосому, к которой, в свою очередь, особые транспортные РНК подносят аминокислоты – кирпичики для будущего белка. При переводе информации с нуклеотидов мРНК на аминокислоты белка используется генетический код. В конечном итоге из рибосомы выходит цепочка аминокислот, которая потом и становится белком. Рибосому называют целой фабрикой, она состоит из двух субъединиц – малой и большой, в которые входят так называемые рибосомальные РНК и множество белков.

[inc pk='1625' service='media']

Первооткрывателем рибосомы в середине 1950-х считают Джорджа Палладе, собственно рибосомами эти комплексы назвал Ричард Робертс. Рибосомы изучались очень многими учеными, главной целью которых было воссоздание структуры и механизма ее действия. Нынешние лауреаты как раз и установили ее строение и то, как она работает на атомно-молекулярном уровне. Для этого ученые использовали, в частности, рентгеноструктурный анализ. Ада Йонат, пожалуй, была первым «рентгеноструктурщиком», который взялся за рибосому. Она занималась этим с 1970-х годов. Как говорят ее коллеги, в то время идея кристаллизации рибосом казалась совершенно дикой, но Ада упорно шла в этом направлении. «Это страшно тяжелая работа. Сложность состоит в том, что рибосома – это огромный молекулярный комплекс, в нем безумное количество атомов, нужно сделать громадное количество кристаллов, потом сделать их рентгеноструктурный анализ, все это занимает очень много времени, – рассказывает профессор Университета Бостона Максим Франк-Каменецкий, хорошо знающий лауреатку. – Она публиковала промежуточные результаты, поэтому в эту работу долго никто не вмешивался, давая ей время завершить труд». Но, судя по всему, исследования длились такое продолжительное время, что ученые не выдержали, и в работу включились другие группы, в том числе Рамакришнана, Стайца и еще одного американца – Харри Ноллера, которого вообще считают ведущим мировым специалистом по рибосоме. По словам Франк-Каменецкого, именно Ноллер первым сделал рентгеноструктурный анализ рибосомы, который, правда, был не очень хорошего разрешения. Команда Стайца сфокусировалась на большой субъединице рибосомы и в 2000 году опубликовала ее структурное изображение с атомарным разрешением. Рамакришнану и Йонат удалось воссоздать малую субъединицу рибосомы с высоким разрешением. Рамакришнан также выделил в рибосоме структуру, которая отвечает за правильность считываемой с матричной РНК информации в процессе сборки белков. Благодаря этому механизму рибосомам удается допускать не более одной ошибки на каждые 100 тысяч связываемых аминокислот.

[inc pk='1626' service='media']

По словам Рамакришнана, рибосомы уже начали демонстрировать свой большой потенциал в медицине. Все три нынешних лауреата проводили эксперименты с тем, как антибиотики препятствуют работе рибосом у бактерий. «Понятно, что при знании полной структуры рибосомы можно делать дизайн новых антибиотиков с тем, чтобы они ингибировали работу рибосом и этим убивали бактериальную клетку, – комментирует Франк-Каменецкий. – Если мишенью в бактериальной рибосоме будет очень важное и константное место, то появится возможность создавать антибиотики, к которым у бактерий не будет вырабатываться устойчивость. Это дает огромные возможности для фармакологов».

И здесь не обошлось без обиженных. Явно обошли Харри Ноллера, в группу которого входил, кстати, и российский исследователь Марат Юсупов. Наши ученые активно занимались рибосомами. В свое время одни из первых кристаллов рибосом были получены в нашем Институте белка РАН. Но в дальнейшем отсутствие материальной базы не позволило решать научные задачи на мировом уровне. «У нас до сих пор нет синхротрона, который позволял бы с высоким разрешением получать данные с кристаллов рибосом, – сетует ученый секретарь Института белка РАН Алексей Никулин. – А многие наши ученые были вынуждены уехать в США, чтобы продолжать свои изыскания, в том числе и Марат Юсупов».

Триумф практичности

Физическая Нобелевка в этом году досталась чистым прикладникам, талантливым инноваторам, своими работами заложившим основу для новой технологической революции в IT-индустрии.

[inc pk='1627' service='media']

Получивший половину премии-2009 Чарльз Као, уроженец Китая, а ныне обладатель двойного британско-амери канского гражданства, сумел найти верное решение одной из ключевых проблем, долго сдерживавшей развитие технологий оптической передачи информации на большие расстояния.

Принципиальная идея использования для этих целей стекловолокна была предложена еще в 1920-е годы: благодаря действию так называемого эффекта полного внутреннего отражения световой поток удерживается внутри тонких стеклянных стержней и в принципе способен дистанционно переносить информацию. Однако на протяжении последующих нескольких десятилетий многочисленные эксперименты со световыми стеклоносителями не приносили нужного результата, поскольку передаваемый световой сигнал по мере его удаления от передатчика (перемещения по кабелю) подвергался сильному затуханию. То есть либо резко ослабевал уровень сигнала, либо происходило серьезное искажение его формы.

Работая в середине 1960-х годов в британской Standard Telecommunication Laboratories (STL, Харлоу), Као обнаружил, что главным виновником затухания являются отнюдь не имманентные физико-химические особенности окиси кремния, а присутствие в стекловолокне нежелательных примесей – ионов железа, которые абсорбируют и рассеивают световой поток. Для того чтобы избавиться от вредного воздействия этих примесей, Чарльз Као предложил использовать особо чистое стекловолокно, получающееся в результате плавления окиси кремния при высоких температурах, и подсчитал, что благодаря этому эффект затухания удастся снизить в несколько десятков раз.

Гипотеза Као полностью подтвердилась в 1970 году, когда группа Джона Макчесни из американской Bell Labs создала первые экспериментальные образцы высокоочищенного оптоволокна, где уровень затухания сигнала мог быть уменьшен почти на три (!) порядка по сравнению с использовавшимися до этого волокнами.

При большом желании Шведская королевская академия могла бы включить в список лауреатов Нобелевской премии этого года и самого Джона Макчесни, однако, по-видимому, посчитала, что награждение еще одного сотрудника Bell Labs (двое других обладателей награды-2009 тоже представляют эту прославленную кузницу нобелевских лауреатов) уже чересчур.

Мировым лидером в сфере практической разработки нового поколения оптоволокна вскоре стала другая американская компания – нью-йоркская Corning Glass Works. Специалисты этой компании сначала создали вариант с допированием высокоочищенной окиси кремния титаном, а позднее улучшили технические характеристики оптоволокна еще в несколько раз, использовав в качестве добавки диоксид германия.

[inc pk='1628' service='media']

Сегодня волоконная оптика – важнейшее несущее звено мировой коммуникационной отрасли и IT-индустрии в целом, без которого невозможны были бы ни современный высокоскоростной интернет, ни кабельное телевидение, ни качественные линии телефонной связи.

Вторую половину Нобелевской премии 2009 года по физике разделили вездесущие беллабовцы Уиллард Бойл и Джордж Смит (заметим в скобках, что это уже седьмая Нобелевская премия, полученная сотрудниками Bell Labs, а общее количество ее исследователей, ставших нобелевскими лауреатами, выросло до 13 человек). Оба ученых удостоены награды за изобретение и разработку прибора с зарядовой связью (charge-coupled device, CCD), в основе которого лежит технология для преобразования квантов света в полезную цифровую информацию (поток электронов).

Бойл и Смит долгое время вместе работали в отделе полупроводниковых компонентов Bell Labs (Бойл был непосредственным начальником Смита), и в 1969 году им удалось создать небольшой прибор, по форме напоминающий монету, – аналоговую микросхему, состоящую из многослойной матрицы светочувствительных конденсаторов. Попадающие на эту матрицу световые фотоны преобразовывались в электрический сигнал, причем величина электрического заряда была пропорциональна величине светового потока. Прибор на выходе считывал этот сигнал (специальный транзистор переводил его в информационную последовательность нулей и единиц) и попиксельно восстанавливал исходное изображение.

Предложенная Бойлом и Смитом новая технология легла затем в основу многих современных разработок цифровых фотоаппаратов, видеокамер, систем для считывания штрихкодов, а также активно применяется в медицинской эндоскопии и современной астрономии.

Фото: АР

Статьи по теме:
Спецвыпуск

Бремя управлять деньгами

Замедление экономики разводит все дальше банки и реальный сектор

Бизнес и финансы

Номер с дворецким

Карта столичных гостиниц пополнилась новым объектом

Тема недели

От чуда на Хангане — к чуду на Ишиме

Как корейский опыт повышения производительности может пригодиться Казахстану?

Тема недели

Доктор Производительность

Рост производительности труда — главная цель, вокруг которой можно было бы построить программу роста национальной экономики