Общий стереохимический генетический код - путь к биотехнологии и универсальной медицине XXI века уже сегодня

Л. Б. Меклер, Р. Г. Идлис

Раздел 1

НАУКА - СОВОКУПНОСТЬ ЗНАНИЙ, ОБЛАДАЮЩАЯ ПРЕДСКАЗАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

Действительно ли молекулярная биология - все еще наука?
J. Maddox. Is molecular biology yet a science? (Nature. 1992. V. 355. P. 201)

В наше время знают все, что основа живого мира - белки, жиры и углеводы и, конечно, нуклеиновые кислоты, и повседневно этим знанием пользуются. Недаром на красочных упаковках продуктов питания, многими миллионами тонн выпускаемых для всего человечества индустрией сельского хозяйства, указывается обязательно содержание именно белков, жиров и углеводов. Более того, даже каждому старшекласснику известно, что и их строение, и их функционирование, и их эволюция - более не тайна за семью печатями, что они закодированы в "двойной спирали ДНК" - строение, функционирование и эволюция белков - прямо, а жиров и углеводов - опосредованно, через соответствующие белки-ферменты. А биосинтез белков напрямую реализуется согласно генетическому коду, уже расшифрованному. Действительно, основы молекулярной биологии оказались настолько ясными и простыми, а важность овладения ими каждым человеком для будущего развития человечества - настолько бесспорной, что они вошли и в школьные учебники.

И результат - налицо. Биология в целом и молекулярная биология в особенности по стремительности своего развития далеко обогнали и математику, и физику, и химию. Чтобы убедиться в этом, достаточно, например, просто взглянуть на оглавление "Докладов Национальной Академии наук США", периодического издания, выходящего дважды в месяц в ,виде тома объемом в 500 страниц, содержащего 100 статей, из которых лишь три - пять приходятся на долю математики, физики и химии вместе взятых, а остальные посвящены биологии, и из них до 90% - различным разделам молекулярной биологии.

И результат - налицо. Ученые - уже сегодня - знают не только этот код и алфавит языка биологии, но умеют, и очень быстро, читать любые генетические тексты в виде линейной последовательности букв, подобной телеграфной записи по азбуке Морзе. Однако перевести эту запись из зашифрованной в осмысленную, реализующуюся Природой в формировании ею работающих биологических микромашин: гормонов, ферментов, белков-транспортеров, белков мышц, белков иммунологической системы организма, белков центральной нервной системы и т. д. - пока не умеют. И тем не менее они отважились на разработку и реализацию проекта "Геном человека" - проекта века, согласно которому будет считана вся генетическая программа, кодирующая построение организма каждого из нас (последовательность примерно 3 млрд. пар "букв" - нуклеотидов),- итог 4 млрд. лет эволюции Жизни на Земле, конспективно записанный в каждой нашей клетке. Генетическая программа, изумительно точно копирующаяся много миллиардов раз в ходе нашего развития и демонстрирующая крупным планом ствол всего хода этой четырехмиллиардолетней адаптивной эволюции за 9 мес. эмбрионального развития организма человека.

Дело дошло и до самых настоящих чудес: ученые научились не только читать, размножать и тасовать генетические тексты, созданные Природой, но и создавать собственные: химически - автоматически (I) - синтезировать любые последовательности аминокислот ("белки") и нуклеотидов ("гены"), научились вставлять эти "гены" в живые клетки, вмешиваясь в любое звено работы организма1. Ибо сегодня-технически - это все совершенно возможно2.

Но результаты такого вмешательства пока, увы, непредсказуемы, и в каждом конкретном случае можно лишь надеяться на удачу в одном из многих тысяч экспериментов3.

Почему? Потому, что в самом фундаменте молекулярной биологии, несмотря на ее блестящие успехи, достигнутые за несколько предыдущих десятилетий и отмеченные десятками Нобелевских премий4, остается зияющая брешь, блокирующая переход к следующей стадии научно-технической революции - "веку биологии". По-английски эта брешь называется кратко - Protein folding problem, по-русски приходится пользоваться более пространным названием - "проблема формирования (самоорганизации) пространственных молекул белков из их линейных полипептидных цепей". Ибо, даже зная о белках, казалось бы, все (строение их линейных полипептидных цепей и строение их твердых трехмерных молекул - компонентов их кристаллов и олигомеров, выявляемое при помощи рентгеноструктурного анализа, ЯМР-анализа, электронной микроскопии, зная не только результаты физико-химического и иммуно-химического их анализов, но даже и линейное, и трехмерное строение соответствующих антител, - реплик-"слепков" атомного разрешения поверхностей этих биологических микромашин)5, тем не менее не удается понять, как трехмерные молекулы белков сформировались из линейных полипептидных цепей.

Безусловно правомерен, однако, вопрос: зачем нужно знать, как самоорганизуются эти биологические микромашины? Ведь главная цель - понять, как они работают! А для этого, казалось бы, остаточно узнать, как эти микромашины устроены, для чего - в идеале - необходимо и достаточно установить, как расположены в пространстве друг относительно друга атомы, из которых эти макромолекулы построены. А эта задача решается только методами рентгеноструктурного анализа (РСА) кристаллов белков, хотя и сегодня и не легко, и не быстро.

Именно так и думали более полувека назад (а большинство профессионалов в области РСА биополимеров думают и сейчас), почему и не жалели (и не жалеют) ни сил, ни времени, стремясь разработать адекватный метод РСА кристаллов белков. И достигли цели. Через 23 года после начала этой титанической работы ее пионер, М. Перуц, в 1960 г. наконец-то построил модель трехмерной молекулы белка, правда, не какого-нибудь примитивного, маленького, а самого гемоглобина - макромолекулы, состоящей из четырех полипептидных цепей длиной ~150 аминокислотных остатков каждая, причудливо скрученных в подвижные спирали, удерживающие на себе четырехугольную органическую молекулу (пластинку-гем), атом железа которой (ее центр) и связывает обратимо переносимый этим белком-транспортером кислород.

И хотя РСА кристаллов каждого единичного белка и сегодня требует, даже на Западе, как минимум, года работы коллектива исследователей самой высокой квалификации, сложнейшей аппаратуры и самых мощных компьютеров, все же в банках данных о структурах белков уже хранятся координаты всех атомов сотен этих биополимеров. И горький парадокс состоит в том, что, несмотря на то, что за эти годы разрешение РСА кристаллов белков увеличено до искомого идеала (до уровня единичных атомов!), по его результатам тем не менее не удается понять то, ради чего эта титаническая работа была начата, - ни как работают тот же гемоглобин, ни, тем более, как работают иные, более сложные биологические микромашины: ферменты, ионные насосы, белки мышц, белки зрения и т. д., не говоря уже о том, чтобы понять, как работают живые клетки и многоклеточные организмы в целом, т. е. достичь главной цели всей науки о Жизни.

Почему? Потому что работа (жизнедеятельность) любой биологической системы - это упорядоченное движение друг относительно друга и деталей биологических микромашин, и самих этих микромашин, и их ансамблей (субклеточных структур: рибосом, митохондрий, ядер), и живых клеток, подчиняющееся тем же принципам, тем же законам, что и весь процесс их самоорганизации. Между тем даже самый высокоразрешающий РСА кристаллов биополимеров не позволяет увидеть это движение в принципе, ибо РСА видит только фиксированные в пространстве объекты, и макромолекулы белков видит только потому, что в кристалле они статичны.

Можно, конечно, возразить, и совершенно справедливо, что статичны эти макромолекулы в кристалле лишь в целом. Более того, что именно в составе кристалла те их сегменты-детали, которые наиболее интенсивно движутся именно тогда, когда эти микромашины-биополимеры находятся в высокоактивном физиологическом состоянии, на фоне подавляющей части этой микромашины, обездвиженной в кристалле, выделяются особенно четко, - такова сила Жизни! Имеются в виду так называемые Омега-петли (детально о них см. в конце статьи), т. е. те части этих микромашин, установление точных границ которых (с точностью до одного аминокислотного остатка!) совершенно необходимо, чтобы понять, как эти микромашины работают.

Но именно потому (как это теперь уже понимают многие6, а данной теорией было предсказано еще четверть века назад7), что эти сегменты-Омега-петли, которые и должны быть главными объектами этого анализа для тех, кто хочет понять, как работают биологические микромашины, продолжают двигаться и в кристалле, они, по сути дела, и не видны. По сути дела - потому, что хотя на рентгенограммах эти сегменты и выявляются, но только в виде размытых, слепых пятен, по которым ни точные границы этих сегментов, ни требуемые полные траектории движения их аминокислотных остатков установить невозможно. Между тем для понимания принципов работы этих микромашин совершенно необходимо знать и эти границы, и эти траектории.

Более того, известно, что Природа строит эти микромашины в принципе не так, как строятся машины человеком. Действительно, человек строит машины, собирая их из заранее изготовленных трехмерных деталей, а Природа, напротив, из целостных одномерных нитей. И из таких заготовок-нитей Природа шаг за шагом буквально "вяжет" соответствующие трехмерные макромолекулы белков - работающие биологические микромашины.

Все хорошо знают, что для того чтобы связать свитер, многоцветный или одноцветный, фигурный или простой, шерстяной или синтетический, недостаточно иметь соответствующие нитки. Необходим также и план желаемого конечного продукта - скажем, свитера, в воображении художника или в виде соответствующей программы компьютера, управляющего соответствующей вязальной машиной, т. е. нитки и детали этих машин нужны сами по себе, а план изделия, изготавливаемого из этих ниток или деталей, - сам по себе. Принципиальное отличие реализации подобного процесса Природой состоит в том, что информация, необходимая для построения (вязания) Природой биологических микромашин - трехмерных молекул белков из их полипептидных цепей-ниток, записана в самих этих нитках! И реализация этой информации не нуждается ни в каких компьютерах.

Справедливость этого утверждения первым доказал американский физикохимик X. Анфинсен более 30 лет назад в результате поиска ответа на вопрос, в чем состоит, каким образом и где записана информация, согласно которой формируются трехмерные молекулы белков, поставив простой, прямой и однозначный эксперимент. Объект этого эксперимента - рибонуклеаза (фермент, расщепляющий РНК до нуклеотидов - мономеров-звеньев, из которых эти полимеры построены). Именно эту рибонуклеазу - работающую биологическую микромашину - X. Анфинсен и его сотрудники распустили до нитки, из которой эту трехмерную микромашину Природа связала. Точно так же, как распускают свитер, превращая его в моток нитей, из которого затем снова вяжут или такой же свитер, или что-либо иное.

Как же они достигли этой цели? Очень просто: растворили этот фермент в концентрированном растворе гуанидинхлорида - соединения, разрывающего все те водородные связи и ван-дер-ваальсовы контакты между аминокислотными остатками полипептидной цепи, возникновение которых и приводит к превращению нитки полипептида в трехмерную работающую биологическую микромашину. А затем эти спутанные друг с другом клубки нитей-полипептидов (денатурированную рибонуклеазу) опустили в обычный водно-солевой раствор. И этого простого действа оказалось достаточно, чтобы совершилось волшебство: буквально на глазах у з рителей за считанные минуты эти клубки спутанных нитей-полипептидов превратились не во что-либо иное, а именно в ту же мириадную армию (примерно 1017 копий-близнецов в миллилитре!) исходных трехмерных, снова работающих биологических микромашин, так же как и ранее, расщеплявших РНК на мономеры-звенья, из которых эти биополимеры построены8.

За прошедшие 30 лет многочисленные исследователи неоднократно реализовали подобные эксперименты, показав, что тем же способом удается разрушить, а затем воссоздать многие самые различные ферменты, гормоны, белки-транспортеры.

Чудо? Ни в коей мере! Почему? Потому, что информация, согласно которой строятся трехмерные молекулы этих биополимеров, записана в самих этих нитях - полипептидных цепях! Каким образом? Записана согласно коду, впоследствии названному западными исследователями "второй половиной генетического кода" или "вторым генетическим кодом". Именно согласно этому коду и шло в опытах, поставленных Анфинсеном и его последователями, это завораживающее превращение бессмысленных, на первый взгляд, клубков нитей в работающие биологические микромашины - возрожденные звенья жизни! И в каждом таком эксперименте на глазах его наблюдателей неживая природа как бы оживает, потому что компоненты этих хаотических клубков-полипептидов вдруг начинают двигаться друг относительно друга не хаотически, а упорядоченно!

Следовательно, чтобы понять, почему, каким образом и с какой целью биологические микромашины, в частности и живые клетки и многоклеточные организмы, вообще работают, т. е. движутся упорядочение и целенаправленно, необходимо, в первую очередь, понять, как они собираются. А чтобы понять, как они собираются, необходимо понять, почему, в каких условиях и каким образом энергия беспорядочного, микроброуновского движения молекул растворителя, приводящая в движение эти хаотические клубки-полипептиды, в результате чего они и превращаются в работающие биологические микромашины, преобразуется в энергию упорядоченного движения друг относительно друга деталей, из которых эти микромашины строятся9.

И совершенно очевидно, что на эти вопросы результаты даже самого высокоразрешающего (даже ~1 А) РСА ответить не могут. Отсюда, конечно, не следует, что РСА биополимеров не нужен. Напротив. Именно сравнение с результатами их РСА - важнейший критерий оценки правильности решения любой теорией проблемы самоорганизации биополимеров. Но не более.

Принципиально важно, как далее было установлено, что таким же образом (самопроизвольно) происходит и самосборка трехмерных молекул белков при их синтезе рибосомами, но не после синтеза всей цепи, как в опытах, поставленных Анфинсеном и его последователями, а по ходу самого ее синтеза, и не за минуты, как в этих опытах, а за считанные миллисекунды. Более того, образно говоря, "мотор" или "колеса" той или иной такой биологической микромашины формируются за доли миллисекунды, т. е. задолго до того, как рибосома синтезирует ту часть полипептида-нити, из которой впоследствии будут сформированы остальные части этих микромашин.

Возникает, однако, вопрос: благодаря чему Природа проводит сборку этих микромашин в клетке в тысячи раз быстрее, чем экспериментаторы - в пробирке, но тем не менее со строго определенными и различными интервалами во времени сборки различных ее деталей? Чтобы понять, как работают биологические микромашины, необходимо ответить и на этот вопрос. Почти четверть века ученые ищут ответ на вопрос о том, что же представляет собой "вторая половина генетического кода", в соответствующих условиях диктующая и столь упорядоченное, и столь стремительное выполнение этой филигранной работы.

Считается, что ответа на этот ключевой вопрос пока нет. А не зная этого ответа, нельзя прицельно точно вмешиваться в работу биологических микромашин и их ансамблей, субклеточных структур, целостных клеток и многоклеточных организмов, т. е. менять поврежденные детали их микромашин на целые запасные части, воздействуя на эти объекты соответствующими безвредными, предельно эффективными лекарствами, полностью восстанавливающими утраченные в результате болезни функции.

Именно поэтому современная биотехнология занята не столько проектированием, сколько эмпирическим поиском фармакологически активных препаратов.

Именно поэтому и нет до сих пор универсальных безвредных вакцин против малярии, против гриппа, против гепатита, против СПИДа, против стрептококковых инфекций - тех самых инфекций, которые, как хорошо известно, приводят и к порокам сердца, и к поражениям почек, суставов и даже центральной нервной системы.

Именно поэтому нет и универсальных методов лечения злокачественных опухолей.

Именно поэтому нет и соответствующих средств в ветеринарии.

Именно поэтому нет и универсальных безвредных средств защиты растений.

Ибо без точного, строгого, тонкого, исчерпывающего понимания смысла генетических текстов технические возможности современной биотехнологии дают человечеству не многим больше, чем пишущая машинка - печатающей на ней обезьяне, и потому результаты такой биоинженерной деятельности непредсказуемы и к тому же потенциально очень опасны. В этом же недопонимании, например, и причина имевших место в самых разных странах многих случаев гибели во сне от шока и гипогликемии неизвестной природы больных диабетом (детей и взрослых обоего пола, самого разного возраста), которым систематически вводили генно-инженерный инсулин человека вместо ранее вводившегося этим больным инсулина свиньи или крупного рогатого скота. Это недавнее известие прозвучало, как грохот торнадо в безоблачном небе розовых надежд10 что, однако, было предсказано одним из нас еще 12 лет назад11.

Вот почему проблема самоорганизации трехмерных молекул белков - центральная проблема не только молекулярной биологии, но и всей биологии в целом, ибо это финиш того пути "от гена - к его работающему признаку", которым биология следует от ее зарождения как науки, т. е. начиная с Ламарка. И пока эта проблема не решена, книга Жизни - геном человека - останется, по существу, зашифрованной, ибо из этого текста фактически нельзя извлечь информацию, необходимую для построения работающих биологических микромашин организма человека - действительно великую цель всего этого проекта века.

Вот что написано по этому поводу в статье научного обозревателя журнала "Science" Дж. Колаты "Стремясь разгрызть вторую половину генетического кода" с подзаголовком "Воодушевленные практическими проблемами биотехнологии и медицины, ученые-исследователи пытаются нащупать правила, управляющие формированием трехмерных молекул белков", основа которой - интервью, данные ей ведущими в этой области знания учеными США и Западной Европы.

"Р. Шонер и его коллеги - сотрудники ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ фирмы Лилли в Индианополисе (на долю этой фирмы приходится ~50 % всего инсулина, производимого в мире, ежегодно продающегося на сумму ~1-10 млрд. долл. США. - Л. М.) - пытались получить гормон роста крупного рогатого скота, вводя ген, кодирующий этот белок, в бактерии, с тем чтобы бактерии синтезировали нужные (большие) количества этого белка. Однако вместо необходимого им хорошо растворимого белка они получили кашу-варево.

Это одна из проблем, подобно чуме, отравляющая жизнь биотехнологическим фирмам. Эти компании хотят производить известные, необходимые практике белки (не в микродозах, как они производятся сейчас, а в достаточно больших количествах. - Л. М.), и новые белки-гибриды, например моноклональные антитела, соединенные крючком с токсинами, назначение которых - разрушать клетки злокачественных опухолей. Однако, говорит И. Кунц, сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Франциско, получаемые ими результаты - не всегда те, на которые они рассчитывают.

Причина трудностей, на которые натолкнулись эти фирмы, в том, что молекулярные биологи все еще не "разгрызли" вторую половину генетического кода, т. е. не выяснили, что представляют собой правила, детерминирующие построение трехмерных молекул белков по их линейным аминокислотным последовательностям. Первая половина этого кода - ответ на вопрос, как информация, заключенная в последовательности оснований ДНК, переписывается в последовательность аминокислотных остатков полипептидов - лежала "на поверхности", и результат этой работы был опубликован более 20 лет назад12. Проблема его второй половины остается нерешенной столь долго, говорит Дж. Кинг, сотрудник Массачусетсского технологического института, что просто забыли о самом ее существовании. Теперь, однако, стало ясно, что проблема формирования трехмерных молекул белков - это вызов, который больше нельзя игнорировать...

И работа продолжается. Ибо все сознают, что проблема формирования трехмерных молекул белков стоит того, чтобы не пожалеть сил для ее быстрейшего решения. Но даже оптимисты из оптимистов не видят пути, который привел бы к быстрому ее решению.

Никто, по-видимому, пока не нашел пути, следуя которым он мог бы сказать, что решит эту проблему хотя бы за три-пять лет, говорит Т. Крейтон (один из ведущих исследователей этой проблемы и в прошлом, в качестве сотрудника лаборатории молекулярной биологии знаменитого Кембриджского университета, и сейчас - в качестве сотрудника Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, ФРГ).

Прогресс, исходя из которого можно было бы сказать, что эта проблема будет решена хотя бы в первом приближении, сегодня отсутствует, говорит Р. Болдуин (ведущий американский исследователь, сотрудник Станфордского университета, один из пионеров этой проблемы, интенсивно занимающийся ею уже несколько десятилетий) - и заключает: "Что сейчас действительно необходимо, это удача плюс очень ясное мышление"13.

Продолжение

Оглавление

1 Нобелевские премии: С. Очоа и А. Корнбергу "за исследование механизма биологического синтеза рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот" (1959 г.); Р. Дульбекко "за исследование механизма действия онкогенных вирусов" и X. М. Темину и Д. Балтимору "за открытие обратной транскриптазы" (1975 г.), Д. Натансу, Г. Смиту и В. Арберу "за открытие ферментов рестрикции и работы с использованием этих ферментов в молекулярной генетике" (1978 г.); П. Бергу "за фундаментальные исследования в области биохимии нуклеиновых кислот, в частности, рекомбинантной ДНК и У. Гилберту и Ф. Сэнгеру за их вклад в определение последовательности оснований в нуклеиновых кислотах" (1980 г.): Р. Мэррифилду "за разработку метода твердофазного химического синтеза полипептидов" (1984 г.); их Нобелевские лекции см. в соответствующих выпусках сборника Les Prix Nobel. (Stockholm, Impremere Royale P. A. Norstedt & Soner).

2 Уже создаются даже институты генной терапии. См., например: Watson Т. // Nature, 1992. V. 360, Р. 501, Thompson L. // Science. 1992. V. 258. P. 744-746; Miller A. D. Human gene therapy comes of age // Nature. 1992. V. 357. P. 455-460.

3 См.: Janewау С. Peptides of fortune (News and views: synthetic vaccines) // Nature. 1991. V. 353. P. 792; Anderson C. Gene therapy reseacher under fire over controversial cancer trials // Nature. 1992. V. 360. P. 397-398.

4 Чолаков В. Нобелевские премии. Ученые и открытия // Пер. с болг. М., 1986.

5 Нобелевские премии: Ф. Сенгеру "за исследование структуры белков, прежде всего инсулина" (1958 г.); Дж. К. Кендрю и М. Ф. Перуцу "за исследование структуры глобинов" (1962 г.); А. Клугу "за работы в области электронной микроскопии кристаллов и открытие структур биологически важных нуклеопротеиновых комплексов" (1982 г.); Р. С. Ялоу "за усовершенствование радиоиммунологических методов определения пептидных гормонов" (1977 г.); Дж. Эдельману и Р. Р. Портеру "за установление химического строения антител" (1972 г.); Wuthrich К. // Science. 1989. V. 243. Р. 45-50; Wright P. E. // TIBS, 1989, 14 July. Р. 255; Kaptein R., Boelens R., S cheek R. М., van Gunsteren W. F. // Biochemistry. 1988. V. 27. P. 5389-5395; Р оlj a k R. J. et al. // Proc. Nath. Acad. Sci. U. S. A. 1974; V. 71. Pp. 3440-3444; Am it A. G. Mariuiia R. A., Phillips S. E. V., Poljak R. J. // Science. 1986. V. 233. P. 747-753; Sheriff S. Silverton E. W., Padlan E. A., Cohen G. H., Smith-Gill S. J., Fi nzel B. C.. Da vies D. R. // Proc. Nath. Acad. Sci. U. S. A. 1987. V. 84. P. 8075-8079; Stanfield R. L., Fieser Т. М., Lerner R. A., Wilson I. A. // Science. 1990. V. 248. P. 712-719.

6 Saragovi H. U., Greene М. I., Chrusciel R. A., Kahn М. Loops and secondary structure mimetics: development and applications in basic science and rationaldrug design. Review // Biotechnology. 1992. V. 10. N 7. Р. 773-778.

7 Меklеr L. В. Mechanism of biological memory // Nature. 1967. V. 215. P. 481-484; Meклер Л. Б. // Биофизика. 1967. Т. 12 С. 569-572.

8 Нобелевская премия К. Анфинсену "за работы по рибонуклеазе, в частности за исследование связи между последовательностью аминокислот и конформацией биологически активной молекулы" (1972 г.); Anfinsen  С.  В. // Science. 1973. V. 181. Р. 223.

9 Simon S. М., Реskin С. S., Oster G. F. What drives the translocation of proteins? // Proc. Nath. Acad. Sci. U. S. A. 1992. V. 89. P. 3770-3774.

10 Wolf S. P. Trying times for human insulin // Nature,1992. V. 356. P. 375-376; Kiln М. R., Sugarman A. Human insulin // Nature. 1992. V. 358. P. 10.

11 Meклер Л. Б. Два вида генной инженерии - ожидание и реальность // Журн. Всесоюз. хим. о-ваим. Д. И. Менделеева, 1980. Т. 25. № 3. С. 359-360.

12 Нобелевская премия Р. Холли, X. Г. Коране и М. Ниренбергу "за расшифровку генетического кода и его функции в синтезе белков" (1968).

13 Kolata J. // Science. 1986. V. 233. Р. 1037-1039.

Титульный лист | Физико-химическая биология | Меклер

Яндекс.Метрика
Hosted by uCoz