Журнал «Компьютерра» № 37 от 10 октября 2006 года

Естественно, Америка

Авторы: Дмитрий Шабанов, Алексей Левин

Выбор лауреатов Нобелевских премий 2006 года по естественным наукам политкорректностью не отличается. Все пятеро призеров — не только граждане, но и уроженцы США [Кстати, точно такая же история случилась в 1946 и 1976 годах. Поневоле начнешь верить в нумерологию], так что на отток лучших умов в Штаты этот казус не спишешь. Однако дело вовсе не в проамериканских настроениях шведских научных рефери. Все премии этого года присуждены за действительно фундаментальные, основополагающие исследования стопроцентно нобелевского уровня. Краткое описание отмеченных работ по дисциплинам мы решили построить в том же порядке, в каком они были объявлены Нобелевским комитетом 2—4 октября.

«КТ» не раз сетовала на то, что Нобелевские премии, как правило, вручают состарившимся ученым за открытия, которые давным-давно обосновались в соответствующих учебниках. В этом году Нобелевский комитет поломал эту прискорбную традицию, вручая премию по физиологии и медицине. Около 1,4 млн. долларов поделят молекулярные биологи Эндрю Файер (Andrew Fire) и Крейг Меллоу (Craig Mello), которым нет еще и пятидесяти. Награду они получили за достаточно свежую работу — статью, опубликованную в журнале Nature в 1998 году. У той статьи было шесть авторов, но Файер — первый из них, а Меллоу — последний. Премия присуждена за открытие РНК-интерференции, блокирования работы генов в результате действия малых двухцепочечных молекул РНК — siRNA (small interfering RiboNucleic Acids). Это открытие имеет как важнейшее теоретическое значение, так и впечатляющие практические перспективы. Обсудим открытый феномен подробнее.

Раскрыв учебники, вы узнаете, что РНК играет вспомогательную роль в хранении и передаче генетической информации. Основной информационный поток в клетке идет в направлении от ДНК через РНК к белку. ДНК — устойчивый двухцепочечный носитель информации, а РНК — ее одноцепочечный переносчик. Другие молекулы РНК выступают в роли подносчиков аминокислот или входят вместе с белками в состав рибосом. Передача информации от РНК к ДНК открыта довольно давно, но она казалась какой-то патологией, характеризующей почти исключительно РНК-несущие вирусы (такие, например, как ВИЧ). Данные, свидетельствующие в пользу широкого распространения передачи от РНК к ДНК, известны гораздо меньше, как и факт существования рибозимов — молекул РНК, обладающих каталитической активностью. В любом случае, РНК часто воспринимается как подсобный класс молекул, обслуживающих два «столпа» жизни — ДНК и белки. Основное внимание в исследованиях уделялось достаточно крупным молекулам РНК (так, информационная РНК может состоять из 100 тысяч нуклеотидов), а мелкие молекулы РНК воспринимались как малосущественные осколки больших молекул.

С началом экспериментов по генной инженерии стали накапливаться странные факты. Предположим, желая усилить работу какого-то гена в клетке растения, вы вводите в нее еще одну копию этого гена. Парадоксальным образом это может приводить к противоположному результату: и новый ген не встроится, и старый перестанет работать! Со временем выяснилось, что в таких клетках увеличивается число малых РНК, казавшихся обломками нужного гена. На этом этапе развития науки нынешние нобелевские лауреаты сделали следующее: поняли, что «выключателем» гена является именно малая РНК, и для описания этого феномена ввели понятие РНК-интерференции; исследовали этот процесс у круглого червя Caenorhabditis elegans и, наконец, обнаружили, что наиболее активными являются необычные двухцепочечные молекулы РНК.

Прошло восемь лет. Стало ясно, что siRNA являются мощным защитным средством, охраняющим клетки от вирусов и потенциально опасных элементов собственного генома (мобильных генетических элементов). В ответ на попадание в клетку чужеродного гена его фрагмент каким-то (пока неизвестным) способом преобразуется в siRNA, двухцепочечную молекулу из 21—28 нуклеотидов на цепочку. Эта молекула связывается с какими-то белками, расщепляется на отдельные цепочки, соединяется с соответствующими последовательностями в своих или чужих генах и опять-таки с помощью белков блокирует их работу. Итак, описываемые молекулы являются ключевым звеном сложной (и по большей части еще не изученной) системы управления генной активностью! Разные организмы отличаются по эффективности работы этой системы — для растений или, к примеру, круглых червей, с которыми работали лауреаты, она важнее, чем для млекопитающих, использующих и иные формы иммунной защиты. В общем, еще разбираться и разбираться… Возвращаясь к роли РНК в клетке, можно сказать, что исследования последних лет показывают — этот класс молекул является не вспомогательным, а центральным, интегрирующим основные клеточные процессы.

Применять найденный феномен можно до того, как будет понят его механизм. Сегодня siRNA стали распространенным инструментом для изучения функции генов. Когда речь идет о системе такой сложности, как клетка, наш главный методический подход прост — сломать какую-нибудь детальку и посмотреть, в каком месте засбоит. Останавливаем нормальную работу гена и смотрим, где что поменялось… Ага, вот на эти-то функции ген и влиял… Для такой работы лучшего инструмента, чем siRNA, пока не найдено. Вызывает интерес возможность использования генной интерференции и для борьбы с вирусами. Рабочих технологий блокирования вирусных инфекций введением в клетки соответствующей siRNA пока не создано, но идея кажется перспективной.

Задумавшись о сути научных премий, мы можем заключить, что их предназначение — не просто награждение достойных. Премия должна стимулировать интерес к важным областям исследования. Кажется, нынешняя физиолого-медицинская премия выполняет это предназначение. ДШ

Премию по физике получили ученые, сыгравшие главную роль в подготовке запуска научного спутника COBE и в интерпретации результатов работы его аппаратуры. Это один из ведущих специалистов Центра космических полетов NASA имени Годдарда Джон Мазер (John C. Mather) и профессор Калифорнийского Университета в Беркли Джордж Смут (George F. Smoot).

Запущенный в 1989 году COBE (Cosmic Background Explorer) — первый американский спутник, специально предназначенный для космологических исследований. Один из трех его инструментов измерял интенсивность потоков инфракрасных фотонов, а остальные занимались спектральным анализом микроволновой радиации. Мазер и Смут возглавляли группы ученых, работавших с этими аппаратами.

Космическое фоновое микроволновое излучение возникло через 380 тысяч лет после Большого Взрыва, который дал начало нашей Вселенной (поэтому его еще называют реликтовым излучением). В момент рождения его температура составляла 3—4 тысячи градусов Кельвина, но за 13 с лишним миллиардов лет оно успело остыть примерно в тысячу раз. Из так называемой горячей модели рождения Вселенной вытекает, что спектр нынешнего реликтового излучения должен почти точно совпадать со спектром абсолютно черного тела с температурой около 2,7 градуса Кельвина.

Почти — но не совсем. Спектр чернотельного излучения совершенно гладкий, а вот спектру микроволной радиации полагается немного «рябить». Иначе говоря, температура излучения, приходящего с разных участков небосвода, должна иметь очень слабые флуктуации. Еще до запуска спутника COBE теоретики космологии пришли к выводу, что амплитуда этих флуктуаций не превышает одной стотысячной доли градуса. Согласно теории, эти вариации возникают из-за пространственных неоднородностей в распределении материи, рожденной Большим Взрывом, которые сделали возможным рождение галактик и галактических скоплений.

Реликтовое излучение было обнаружено в 1964 году. С тех пор его тщательно изучали как с земли, так и со стратостатов и геофизических ракет. В 80-е годы несколько групп астрофизиков объявили, что спектр реликтового излучения отличается от чернотельного сильнее, нежели позволяет уже почти общепринятая к тому времени модель Большого Взрыва. Хотя эти утверждения имели под собой не слишком прочное основание, они все же вызывали сомнения в правильности модели. Требовался решающий эксперимент, который должен был или снять все возражения, или подтвердить их. Однако его можно было выполнить только в космосе, поскольку земная атмосфера непрозрачна для многих участков реликтового спектра.

Таким экспериментом и стал запуск COBE. Спутник проработал в космосе четыре года, но основные результаты дал гораздо раньше. Его приборы убедительно подтвердили, что спектр реликтового излучения строго соответствует требованиям модели горячего рождения Вселенной. Была точно измерена его температура (2,726 °К) и обнаружены ее флуктуации (так называемая анизотропия излучения), причем с амплитудой порядка одной стотысячной доли градуса, как того и требовала теория. Это окончательно убедило ученых, что у концепции Большого Взрыва нет серьезных конкурентов. Признанный авторитет в космологии Стивен Хокинг в интервью газете «Таймс» назвал полученные результаты величайшим научным открытием двадцатого столетия. АЛ

Нобелевская премия по химии досталась на сей раз одному человеку — профессору структурной биологии Стэнфордского университета Роджеру Корнбергу (Roger D. Kornberg). Кстати, это тот самый случай [В Нобелевской летописи не столь уж редкий. С 1901 года было зафиксировано шесть «дуплетов» отец-сын], когда известная пословица о том, что «на детях талантов природа отдыхает», неправа. Отец Роджера Артур Корнберг получил премию по медицине и физиологии в 1959 году. В его честь назван фермент, синтезирующий ДНК по ДНКовой матрице — ДНК-полимераза I, она же полимераза Корнберга.

Любопытно и то, что химическая награда 2006 года оказалась тесно связана с медицинской. Первый этап процесса внутриклеточного биосинтеза белков — перезапись генетической информации с ДНК на РНК. В этом процессе, который называется транскрипцией, участвует фермент РНК-полимераза, молекула которого состоит из тридцати тысяч атомов. Если Корнберг-отец работал с ДНК-полимеразой, то Корнберг-сын выбрал РНК-полимеразу. Роберт Корнберг получил премию за фундаментальные исследования, которые привели к гораздо лучшему пониманию механизмов работы этого энзима на молекулярном уровне.

Основные принципы действия РНК-полимеразы были известны и раньше. Этот фермент сначала распознает тот участок ДНК, откуда следует начинать транскрипцию (его называют промотором), вступает с ним во взаимодействие, расплетает двойную спираль ДНК и использует одну из ее нитей как матрицу для строительства РНК. По мере движения участка полимеразы удлиняющаяся цепь РНК отходит в сторону от ДНКовой матрицы, и ДНК восстанавливает свою двухцепочечную структуру.

Это общая схема, но в ее реальном воплощении есть множество нюансов. Как известно, по строению клеток организмы делятся на доядерные (прокариоты) и ядерные (эукариоты), к последним относятся высшие организмы. Как ни парадоксально, мы значительно лучше знаем устройство клеток прокариот (например, знаменитой кишечной палочки — главного объекта молекулярной биологии), нежели устройство клеток животных, растений или грибов. Корнберг-отец работал с кишечной палочкой, а Корнберг-сын — с дрожжами (одноклеточными грибами). Вместе с членами своей группы младший Корнберг разработал элегантную технику экспериментов с эукариотическими дрожжевыми клетками, которая дала много новой информации о процессе транскрипции. Фактически ему удалось полностью описать работу РНК-полимеразы дрожжей на молекулярном уровне, что и принесло Роджеру Корнбергу Нобелевскую премию. АЛ ДШ