Венки Рамакришнан: «Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии». Рецензия
01 августа 2020, 06:01
Книга "Генетический детектив" позволит читателю узнать о важнейшей молекулярной машине — рибосоме — и истории открытия ее сложной и многокомпонентной структуры. Вы сможете поближе познакомиться с методами, использующимися в структурной биологии, понаблюдать за развитием и усовершенствованием основных приемов, а также порадоваться вместе с автором маленьким победам и посопереживать крупным неудачам.

Рисунок 1. Венки Рамакришнан

Venkatraman Ramakrishnan: 'Britain's reputation has been hurt'

Венкатраман "Венки" Рамакришнан — американский и британский биохимик индийского происхождения, известен как основоположник биокристаллографии. В 2009 году совместно с Томасом Стейцем и Адой Йонат удостоился Нобелевской премии по химии "за исследование структуры и функций рибосомы" [1]. С 2015 года он — президент Королевского общества, член Национальной академии наук США.

В своей первой книге "Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии" Венки увлекательно и остроумно рассказывает в первую очередь, как ни удивительно, не о рибосоме, а о непростом пути поиска себя в науке. Как поясняет сам автор, книга написана в жанре мемуаров и представляет собой описание его личной гонки за открытием структуры рибосомы.

Действие книги начинается в Огайо, где автор, физик по образованию, решает посвятить себя активно развивающейся на тот момент сфере молекулярной биологии. Поступив в аспирантуру в Калифорнийский университет и присоединившись к исследовательской группе, изучающей ионные каналы, он натыкается в журнале Scientific American на статью о поиске структурных белков рибосомы методом рассеяния нейтронов. По счастливой случайности, одним из авторов статьи оказывается Дон Энглман, который ранее был готов пригласить автора на позицию постдока в свою лабораторию в Йеле. Дон Энглман и еще один соавтор работы, Питер Мур, на тот момент корпели над проблемой исследования пространственного расположения структурных белков рибосомы. В лаборатории Питера Мура Венки, используя нейтроны, делает свои первые шаги в исследовании структуры рибосом.

Несмотря на то, что сейчас рибосома считается важнейшей органеллой клетки, жизнь без которой была бы невозможна, о начале своего пути в 80-х годах автор писал так:

...когда я рассказывал кому-нибудь, что исследую рибосомы, меня часто спрашивали: "А что, разве о них еще не всё известно?" Иногда меня удостаивали снисходительным взглядом, как какого-то беднягу, который дорисовывает последние штрихи к проблеме, которая никого уже не интересует. Но пусть мы и представляли в общих чертах, как работает рибосома, мы еще не знали, как в ней реализуется хотя бы один из сложных процессов на пути к синтезу белка.

В книге описывается реальная наука, с ее взлетами:

И тогда перед нами предстали они: крупнейшие пики, в двадцать пять раз превышающие уровень шума. Их было больше, чем мы видели когда-либо ранее. Все напряжение года вдруг исчезло. Я принялся отплясывать по комнате со словами: "Мы прославимся!"

падениями:

...кристалл вылетал из петельки и навеки исчезал в емкости с жидким азотом. Так мы оказались отбошены минимум на два месяца назад в разгар бескомпромиссной гонки.

и "яростной" конкуренцией:

Когда мы продемонстрировали, что кристаллография действительно работает, началась открытая гонка: кто первый добьется разрешения лучше 3.5 ангстрем, а затем выстроит полные атомные модели каждой из субъединиц.

Предисловие к книге написала Дженнифер Дудна (мы ранее публиковали рецензию на ее книгу "Трещина в мироздании" [2]). Кстати, именно ее статья о получении фаз кристаллических молекул натолкнула Венки на мысль об использовании гексаамина осмия, что впоследствии позволило значительно улучшить сигнал.

Автор честен с читателем и отмечает, что совершённые открытия — заслуга не только его, они были бы невозможны без "добродушия незнакомцев" и "отзывчивости друзей".

В отчаянии я обратился к Брюсу, бывалому химику-неорганику, и просил, не смог бы он добыть мне немного гексааимина осмия. Он посмотрел на реакцию синтеза и сказал, что, возможно, справился бы с этим за пару недель с помощью лаборанта. Он не изменил себе и отказался обозначиться соавтором статей, которые позже меня прославили, назвав свой вклад обычным синтезом. Другие получали соавторство и за меньшее, а его помощь спасла меня от провала на пути к успеху.

Немалая роль в книге отводится участию семьи, в особенности описанию роли спутницы жизни:

Я благодарен моей жене Вере Розенберри, которая на протяжении нескольких десятилетий была для меня прекрасной спутницей и другом. Научные взлеты и падения были бы куда тяжелее без той гармонии, которой она наполнила мою жизнь.

Здесь хочется процитировать Мэрион Пирсон, жену бывшего канадского премьер-министра: "За каждым успешным мужчиной стоит изумленная женщина". Только взгляните на рисунок ниже, который иллюстрирует то, как неординарно мыслил Венки при работе над проектом:

Рисунок 2. Блок-схема, иллюстрирующая шаблоны, которыми автор мыслил в 1999–2000 годах

иллюстрация из книги "Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии"

В конце книги Венки много рассуждает о значимости премий за научные достижения и о последующей славе в целом. Несмотря на то, что после получения Нобелевской премии наступил существенный спад в деятельности лаборатории, структурная биология оказалась на пороге новой эры — эры криоэлектронной микроскопии.

Оглядываясь назад и вспоминая, после каких долгих мытарств удалось получить методом кристаллографии первую структуру рибосомы, кажется иронией, что сегодня на всю эту работу от начала до конца потребовались бы одна-две недели. Сейчас вся эта область изобилует структурами новых типов рибосом во всевозможных разных состояниях, и я могу себе представить, как ворчат редакторы научных журналов, получая очередную рукопись о СЕОР — Структуре Еще Одной Рибосомы.

Перевод книги выполнен качественно, читать ее будет приятно не только неспециалисту, но и придирчивому ученому. В ней много черно-белых иллюстраций, научных и забавных схем и архивных фотографий, которые увлекают и приближают читателя к автору и его коллегам, которые, как оказывается, несмотря на Нобелевскую премию и великие открытия, тоже самые обычные люди.

"Генетический детектив" будет интересен всем, кто увлекается биологией, а также тем, кто задумывается о смене профессии, но сомневается. Дерзайте! У вас перед глазами прекрасный пример физика, ныне считающегося одним из основоположников биокристаллографии.

На странице 143 Венки описывает фильм, демонстрирующий декодирование мРНК рибосомой . Для наглядности, каждый ключевой этап авторы сопроводили композициями, описывающими действие на экране.

Интересные моменты из "жизни" рибосом описаны на "Биомолекуле": " Рибосома за работой" [3], " Чего вы не знаете о рибосоме..." [4], " Две рибосомные субъединицы объединили в функциональный гибрид" [5] и " В каждой бочке затычка: как тетраценомицин X затыкает бактериальные и эукариотические рибосомы" [6]. — Ред.

На наши вопросы, касающиеся темы этой книги, ответил Юрий Поликанов, профессор департамента биологических наук (факультет свободных искусств и наук) Университета Иллинойса в Чикаго. Его научные интересы преимущественно связаны с биосинтезом белка и механизмами действия рибосомных антибиотиков.

"Биомолекула": Остались ли еще неизведанные области в изучении структуры и работы рибосом? Если да, то в каких направлениях на данный момент ведутся исследования?

Юрий Поликанов: Конечно же да! На самом деле, получение первой структуры рибосомы в 2000 году не закрыло эту область, а, наоборот, открыло совершенно новое, огромное направление исследований. Первая структура рибосомы — это как вершина айсберга, которая дала в руки исследователей уникальный инструмент. Дело в том, что биосинтез белка в живых клетках — это невероятно сложный и тщательно регулируемый процесс. И, несмотря на то, что ключевую роль в этом процессе играет сама рибосома, есть огромное количество вспомогательных белков (факторов трансляции), а также молекул транспортных РНК, которые взаимодействуют с рибосомой и, собственно, делают возможным сам биосинтез белка.

Один способ, с помощью которого возможно понять, как на самом деле работает этот сложнейший молекулярный ансамбль, — это получение структур рибосомы в комплексе с разными факторами трансляции и/или молекулами тРНК. А поскольку таких белковых факторов огромное количество, то и потенциально интересных и значимых структур тоже может быть очень много. Это, собственно, и обеспечило нас, структурных рибосомных биологов, работой еще на много лет вперед.

Другим, невероятно важным направлением исследований, связанных с определением рибосомных структур, являются рибосомные антибиотики. Дело в том, что сегодня больше половины всех используемых в клинике антибиотиков для лечения инфекций человека работают через рибосому, и визуализация таких антибиотиков, связанных с рибосомой, зачастую как раз и помогает понять, как они работают и, главное, подсказывает нам, как они могли бы быть улучшены. Это направление текущих исследований неразрывно связано с еще одной важной проблемой здравоохранения — всевозрастающей способностью болезнетворных бактерий противостоять действию антибиотиков через специальные механизмы резистентности. Зачастую, на молекулярном уровне подобные механизмы устойчивости реализуются через крохотную химическую модификацию рибосомы, что влечет за собой невозможность многих антибиотиков связываться с рибосомами бактерий с такими активными модифицирующими рибосому ферментами, и, как следствие, неактивность антибиотиков. Так вот для того чтобы сделать антибиотики, которые бы работали и против патогенных бактерий, которые уже невосприимчивы к имеющимся лекарствам, нам необходимо понять как подобные механизмы устойчивости функционируют на молекулярном уровне, а для этого нам, безусловно, нужны структуры модифицированной рибосомы. Определение структур подобных антибиотикоустойчивых рибосом — это еще одно крайне актуальное сегодня направление структурных исследований рибосомы.

"БМ": Как вы считаете, заменит ли однажды криоэлектронная микроскопия рентгеноструктурный анализ?

ЮП: Навряд ли! Однако, конечно, криоэлектронная микроскопия уже сильно вытеснила рентгеноструктурный анализ из повестки многих структурных лабораторий и абсолютно точно вытеснит его еще больше в ближайшем будущем. Но не думаю что полностью! Даже несмотря на то, что моя лаборатория занимается как раз рентгеноструктурным анализом рибосомы, я должен сказать, что университеты и институты, которые сегодня не смогли вложить существенные средства в кадры и в развитие материально-технической базы для крио-ЭМ-исследований у себя, уже даже не завтра, а буквально "сегодня к вечеру" станут аутсайдерами мировой научной повестки. Существует расхожее мнение о том, что крио-ЭМ-структуры хороши и точны ровно настолько, насколько хороши и точны изначальные структуры, полученные как раз с помощью рентгеноструктурного анализа. Это действительно было так до недавней революции в крио-ЭМ-методах. Однако сегодня с невероятным развитием крио-ЭМ-технологий эта связь, я бы даже сказал зависимость, со структурами, полученными рентгеноструктурным анализом, все же еще сохраняется, ведь "прыгнуть выше головы" довольно трудно, но, тем не менее, возможно. Такие объекты как рибосома идеально подходят для крио-ЭМ, поскольку они огромные (по молекулярным меркам) и ассиметричные и поэтому идеально подходят для сортинга. В то же время метод крио-ЭМ для обычных белков только развивается, и рентгеноструктурный анализ тут еще пока трудно полностью вытеснить. Применительно к рибосоме метод крио-ЭМ позволяет увидеть структуры трансляционных факторов, которые не получалось визуализировать с помощью рентгеноструктурного анализа. При этом для определения структур антибиотиков, связанных с рибосомой, рентгеноструктурный анализ все еще остается более востребованным из-за лучшего разрешения и более высокого качества структур.

"БМ": Насколько расширились наши знания о структуре рибосом с появлением криоэлектронной микроскопии?

ЮП: Очень сильно расширились! Дело в том, что с приходом этого метода практически в одночасье стали известны структуры многих заветных функциональных комплексов рибосомы, которые не удавалось закристаллизовать ранее, и, следовательно, не удавалось получить их структуры традиционным рентгеноструктурным анализом. Сегодня с помощью крио-ЭМ мы можем не просто видеть структуры рибосомы в одном конкретном состоянии, а уже даже видеть функциональную динамику и переходы из одного состояния в другое. Наверное, было бы неправильно полностью противопоставлять эти два замечательных и очень информативных метода структурной биологии: крио-ЭМ-метод незаменим для одних задач, в то время как классический рентгеноструктурный анализ необходим совершенно для других.

Литература

  1. Белоксинтезирующая Нобелевская премия по химии (2009);
  2. Дженнифер Даудна, Сэмюел Стернберг: "Трещина в мироздании". Рецензия;
  3. Рибосома за работой;
  4. Чего вы не знаете о рибосоме...;
  5. Две рибосомные субъединицы объединили в функциональный гибрид;
  6. В каждой бочке затычка: как тетраценомицин X затыкает бактериальные и эукариотические рибосомы.

biomolecula.ru
© ФГУП «ГосНИИПП», 1989-2020