Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

На вокзале я решил взять такси. Управившись с багажом, я откинулся на сиденье и сказал: «Мне в Кавендишскую лабораторию».

Шофер оглянулся на меня через плечо. «А где это?» – спросил он.

Я осознал – уже в который раз, – что не все столь глубоко интересуются фундаментальной наукой, как я. Порывшись в бумагах, я отыскал адрес.

«Это на Фри-Скул-лейн, – сказал я, – а где эта улица, не знаю».

«Возле Маркет-сквер», – ответил таксист, и мы тронулись.

Макс Перуц, к которому я ехал, по происхождению был австрийцем. Свое первое образование, химическое, он получил в Венском университете. Он собирался поехать в Кембридж, надеясь поработать у Гоуленда Хопкинса, основоположника кембриджской школы биохимии. Перуц попросил Германа Марка, специалиста по полимерам, ненадолго приехавшего в Кембридж, устроить для него встречу. Вместо этого Марк случайно наткнулся на Дж. Д. Бернала, известного в кругу друзей как Премудрый, потому что казалось, будто он знает всё на свете. Бернал сказал, что будет рад взять Перуца к себе на работу. Так Макс занялся кристаллографией. Все это происходило еще до Второй мировой войны.

На момент моего визита Перуц под довольно условным руководством Брэгга работал с трехмерными структурами белков. Как я уже объяснял в предыдущей главе, белки принадлежат к одному из главнейших семейств биологических макромолекул. Действие каждого белка зависит от его точной трехмерной структуры. Следовательно, задача первостепенной важности – обнаружить такие структуры экспериментально. На тот момент самая крупная органическая молекула, трехмерную структуру которой удалось определить с помощью рентгеновской дифракции, была на два порядка меньше, чем типичная белковая. Определение трехмерной структуры белка казалось большинству специалистов по кристаллографии невозможным либо, в лучшем случае, делом отдаленного будущего. Бернал с самого начала пылал энтузиазмом на этот счет, но по тем временам он был фантазером. Однако эта проблема весьма привлекала и упрямого Брэгга, поскольку бросала вызов. Брэгг, чья научная деятельность началась с определения простейшей структуры кристалла хлорида натрия (обычной поваренной соли), надеялся, что венцом его достижений станет разгадка структуры одной из крупнейших возможных молекул.

Еще перед войной Бернал начал программу исследований рентгеновской дифракции белковых кристаллов. Как-то он наблюдал оптические свойства кристалла белка с помощью обычного микроскопа (вернее, не совсем обычного, а поляризационного). Кристалл находился на открытом предметном стекле вместе с каплей своего маточного раствора (раствора, в котором выращивали белковые кристаллы). Постепенно вода из раствора испарялась, так что в конце концов он высох. Когда это случилось, Бернал увидел, что его оптические свойства испортились – высохший, утративший форму кристалл проводил свет более беспорядочно. Бернал тут же сообразил, что необходимо держать белковые кристаллы влажными, и поместил кристалл в маленькую кварцевую трубочку, запечатанную специальным воском с обоих концов. К счастью, кварц создавал мало помех для наблюдения дифракции рентгеновских лучей на кристалле. Все предыдущие попытки получить фотоснимки рентгеновской дифракции на белковых кристаллах давали лишь расплывчатые кляксы на фотопластинке, потому что кристаллы успевали высохнуть на воздухе. К огромному восторгу всей лаборатории, влажный кристалл дал множество красиво расположенных пятнышек. Изучение структуры белков сделало первый решающий шаг вперед.

Перед тем как я впервые наведался к Максу Перуцу в Кавендишскую лабораторию, я прочел две его последних статьи, опубликованных в сборнике «Труды Королевского общества» (Proceedings of the Royal Society), – о его опытах с рентгеновской дифракцией на кристаллах одной из разновидностей гемоглобина. Гемоглобин – это белок, который переносит кислород в нашей крови и придает цвет красным кровяным тельцам, однако тот, который изучал Перуц, принадлежал лошади, поскольку конский гемоглобин образует такие кристаллы, которые особенно удобны для исследования рентгеновской дифракции. Ныне известно, что каждая молекула гемоглобина состоит из четырех сходных субъединиц, в каждой из которых более 2500 атомов, соединенных в четкую трехмерную структуру.

Поскольку рентгеновские лучи нельзя просто так сфокусировать, невозможно и получить рентгеновские снимки так, как мы получаем обычные снимки, собирая видимый свет с помощью линзы, или изображение на электронном микроскопе, фокусируя электроны. Однако можно подобрать такую длину волны рентгеновского излучения, которая примерно равна расстоянию между ближайшими атомами в органической молекуле. Поэтому характер рассеяния рентгеновских лучей молекулами может при благоприятных условиях дать исследователю достаточно информации, чтобы определить положение всех атомов в этой молекуле. Точнее, такая картинка показывает плотность электронов, окружающих каждый атом, которые, обладая очень малой массой, рассеивают рентгеновское излучение сильнее, чем более тяжелое атомное ядро. Кристалл необходим потому, что излучение, рассеиваемое одиночной молекулой, будет слишком слабым. Если попытаться обойти эту трудность с помощью длительной экспозиции, большая доза радиации вызовет слишком большое разрушение молекулы – она просто изжарится до того, как сможет рассеять достаточно излучения, чтобы его можно было наблюдать.

В те времена рентгеновские лучи фиксировались на специальную фотопленку, которую затем проявляли по сути так же, как проявляют обычные фотонегативы. В наше время их улавливают и измеряют с помощью счетчиков. Специальная камера вращала кристалл в рентгеновском луче, а с ним и фотопленку, чтобы фиксировать дифракцию по частям.

Хотя я, вероятно, проходил это в студенчестве, когда учился на физика, к тому времени я уже многое забыл и имел лишь приблизительное представление о том, чем занимается Перуц. Я узнал, что кристаллы белков обычно содержат много воды, скрытой в промежутках между крупной молекулой и ее соседками. В сухих условиях кристалл может съежиться, потому что молекулы белка упаковываются плотнее, и как раз этапы его сжимания изучал Перуц. Если сухость была слишком высока, расположение молекул нарушалось, так как громоздкие молекулы тщетно стремились сблизиться друг с другом максимально. Элегантный узор рентгеновской дифракции из множества отчетливых точек деградировал до нескольких туманных пятен на пленке. При дифракции правильные трехмерные структуры дают целую серию дискретных пятнышек, как еще много лет назад показал Брэгг.

Мне также была известна главная проблема рентгеновской кристаллографии. Даже если бы было возможно измерить интенсивность всего множества пятнышек (по тем временам неподъемная задача) и даже если бы атомы кристалла располагались настолько правильно, что пятнышки могли бы отобразить даже мелкие детали его строения, математические расчеты ясно показывали, что пятнышки могут дать только половину информации о трехмерной структуре. [Выражаясь технически, пятнышки показывали интенсивность всего множества Фурье-компонентов, но не их фазы.] Если бы каким-то чудом удалось определить положение каждого атома, то стало бы возможным (пусть и чрезвычайно трудоемким в те дни) точно рассчитать картину рентгеновской дифракции, а также вычислить недостающие сведения о фазах. Но мы располагали только пятнышками, и теория предсказывала, что одну и ту же картину могут дать самые многообразные возможные варианты распределения электронной плотности. Было нелегко установить, какой из этих вариантов верен.