Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Белки, способные сворачиваться в разные формы и выступать инфекционными агентами, называют прионами, и теперь мы знаем, что именно они вызывают некоторые болезни людей и других животных. Одна из них – губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, более известная под броским названием «коровье бешенство». Как и куру, это нейродегенеративное заболевание. Оно тоже вызывает дрожь, повышает возбудимость и нарушает координацию движений, но только у коров, а не у людей. Вспышка болезни в Великобритании в конце 1980-х затронула около 200 тысяч коров, и более 4 миллионов животных пришлось убить, чтобы остановить эпидемию. И все же болезнь успела передаться людям. Больше 100 человек умерли от ее человеческого аналога, нового варианта болезни Крейтцфельдта – Якоба, почти наверняка вызванного употреблением мяса больных животных. Но как же заразились коровы? Снова каннибализм! Фермерским коровам регулярно добавляли в пищу мясокостную муку, которая должна была ускорять рост и повышать продуктивность скота, а заодно служить способом утилизации отходов животноводства9. После вспышек болезни эту форму каннибализма запретили: в 1989 году – в Великобритании, а теперь и почти во всех странах мира (это справедливо для жвачных вроде коров и овец; другим сельскохозяйственным животным, например курам и свиньям, мясокостную муку, как правило, давать разрешено).
Само существование прионов какое-то время оспаривалось. В 1980-х возглавляемая Стенли Прузинером группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Франциско после 10-летних трудов выделила возбудителя почесухи (скрепи) – овечьего аналога губчатой энцефалопатии коров – и определила его как белок. Заявление ученых встретили с огромным скепсисом: в отличие от бактерий, вирусов и паразитов, в примитивной аминокислотной последовательности не просматриваются черты самостоятельного агента, и потому действительно сложно представить, как она распространяется, амплифицируется и вызывает болезнь. Тем не менее, проведя скрупулезный анализ и исключив другие возможности, ученые доказали состоятельность прионной гипотезы.
Прионные и прионоподобные белки задействованы в развитии не только куру и коровьего бешенства, но и других серьезных заболеваний. В частности, при болезни Альцгеймера наблюдают скопления неправильно свернутых белков, что придает ей сходство с прионными инфекциями. Однако эти белковые агрегаты вряд ли заразны: их пересадкой от больных животных здоровым неврологические симптомы не передаются. Почему происходит и к чему приводит такая агрегация, пока неясно. И вообще, нам еще нужно ответить на массу вопросов о правильном и неправильном фолдинге белков.
Предсказание структуры белков
Если вернуться к подавляющему большинству белков, которые обладают-таки уникальной трехмерной структурой, то, как ни странно, нам по-прежнему сложно предсказывать, какую именно форму примет аминокислотная последовательность. Такие прогнозы, однако, были бы очень полезны10. Так, нам было бы гораздо легче оценивать параметры связывания потенциального лекарства с разными белками, располагай мы сведениями о трехмерной структуре каждого из них. Хотя теперь нам существенно проще определять структуру белков, чем во времена первого знакомства с миоглобином кашалота, этот процесс остается трудоемким, долгим и капризным. Основной метод рентгеновского изучения белков [19] требует их предварительной кристаллизации, а для этого нужно совершить немало проб и ошибок. Есть и другие методы – например, с использованием электронных микроскопов, – но среди них не найдется ни быстрых, ни простых. Хочется думать, что вместо физического получения и измерения белка мы могли бы просто рассчитать по его аминокислотной последовательности, какую форму он примет. Специфика генетического кода позволяет нам без труда определять порядок аминокислот в белке по последовательности нуклеотидов в ДНК, о чем мы подробнее поговорим в следующей главе. В теории, раз мы понимаем физику электрических сил, гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, мы могли бы просто загрузить аминокислотную последовательность в несложную компьютерную программу, которая произведет необходимые вычисления и остановится, обнаружив оптимальную молекулярную укладку. На практике же число возможных конформаций так велико, что даже самым быстрым компьютерам сложно изучить их все.
 
Для решения этой вычислительной проблемы разрабатывают хитроумные подходы: одни направлены на улучшение алгоритмов расчета сил и энергий, другие прибегают к упрощениям вроде группировки наборов атомов, третьи обращаются к нетрадиционным компьютерным архитектурам. Так, можно сконструировать нестандартный компьютер, интегральные схемы которого изначально созданы не для выполнения общих задач, а для расчета сил, действующих на аминокислоты. По такому пути пошел Дэвид Шоу [20]11, пустивший немалые доходы от управления инвестициями на разработку уникальных суперкомпьютеров для решения биофизической проблемы фолдинга белков. Можно использовать и обычные компьютеры, если они интегрированы в огромный, стихийно организованный массив. Так поступили авторы программы folding@home, которая работает в фоновом режиме на компьютерах добровольцев (войти в их число может любой желающий) и использует периоды простоя, чтобы распределять вычисления по десяткам тысяч устройств12. А можно делать ставку и на человеческий ум. Например, исследователи из Вашингтонского университета создали бесплатную игру foldit, посвященную фолдингу белков: пользователи перемещают на экране аминокислоты, как фрагменты мозаики, а результаты их работы передаются ученым13. Также можно применять искусственный интеллект, обучив компьютерную нейронную сеть выявлять закономерности в известных белковых структурах и применять их для предсказания новых форм. В этом направлении пошла DeepMind, дочерняя компания Google, добившаяся выдающихся результатов и победы в конкурсе «Критическая оценка предсказания структуры белков» в 2020 году14. Эти и другие стратегии доказали свою состоятельность, но быстрый и универсальный метод расчета структуры, которую примет аминокислотная последовательность, все еще не найден.
Человеку даже как-то унизительно признавать, что сами белки без труда решают проблему фолдинга, за долю секунды принимая нужную форму в каждой клетке каждого существа на Земле. Самосборка вызывает восхищение: она позволяет форме возникнуть из элементов и сил, неотъемлемых от самих природных веществ. Мы узнаем, что стоит за стремительностью и надежностью этого процесса, в главе 6, где речь пойдет о молекулярной случайности. Но сначала давайте изучим связь белков и ДНК, дадим определение гену и заложим основы для выяснения того, как самособранные структуры формируют схемы принятия решений в клетках.
  
Глава 3. Гены и механика ДНК
 
Мы назвали ДНК кодограммой, но что именно она кодирует? Мы бросили взгляд на несколько белков из огромного множества тех, что способен производить организм, но чем определяется их набор? Ответить на оба вопроса нам поможет одно понятие – понятие гена: оно объединяет абстрактную идею биологической информации с физической реальностью биологических молекул. Как сильные, так и слабые стороны генов неразрывно связаны с физическими свойствами ДНК, белков и среды, в которой они существуют. Обсуждая генетические болезни, мы далеко не всегда вспоминаем о проблемах изгибания ДНК или укладки молекул в малые пространства, но скоро мы увидим, что такие неочевидные вопросы играют важную роль в изучении механики жизни. Самосборка в этой главе опять окажется на первом плане, поскольку ДНК и белки, например, должны соединяться для правильной упаковки генома. Вопросы предсказуемой случайности, масштабирования и регуляторных цепей тоже неизбежны в работе с нашим генетическим материалом, ведь клетки, организуя свою ДНК, постоянно решают проблемы размера, формы и беспорядка.