Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

Тогда не было общедоступных учебников в этой области. В литературе того времени применялся поэтапный метод, основанный преимущественно на законе Брэгга и последующих разработках темы. Для таких, как я, это лишь затрудняло работу и безусловно делало ее более занудной, поскольку простейший метод часто вызывает у ученика вопросы на более глубоком уровне, и подобная неудовлетворенность может помешать обучению. Зачастую лучше, по крайней мере для талантливых учеников, перейти сразу к более сложной работе и попытаться преодолеть более влиятельный педантизм, одновременно пытаясь проникнуть в суть того, что происходит. В моем случае выбора не было, кроме как обучиться рентгеновской дифракции самостоятельно. Это оказалось полезным, поскольку я приобрел достаточно глубокое и близкое знакомство с предметом. Более того, поскольку Перуц изучал стадии усыхания кристалла, состоящего из крупных молекул, я выучился работать с дифракцией на отдельных молекулах и только потом собирать их в правильную кристаллическую решетку, вместо того чтобы следовать более традиционному методу и начинать с решетки. Впоследствии этот навык оказался для меня ценным.

Вооруженный этим новым знанием, я перечел статьи Перуца и провел некоторое время в размышлениях над тем, как разрешить загадку структуры белков. Перуц спекулятивно предполагал, что форма молекулы чем-то напоминает дамскую шляпную картонку старых времен, и в своей первой статье нарисовал такую схему. (Кстати, схемы моделей часто бывает трудно нарисовать как следует, поскольку, если не проявлять дисциплинированности, они выражают больше, чем запланировано.) По ряду причин я полагал, что модель «шляпной картонки» неправдоподобна, и попытался добыть свидетельства в пользу других возможных форм.

Напомню, что конкретные данные о дифракции сами по себе не говорят нам ничего о форме, но любая гипотетическая форма может быть использована для расчетов дифракции. Форма влияет лишь на те немногие отражения рентгеновских лучей, которые соответствуют общей структуре кристалла. Их интенсивность зависит от контраста между высокой электронной плотностью белка и низкой электронной плотностью воды (в действительности раствора солей) в промежутках между молекулами. Даже если бы можно было получить изображение электронной плотности в этом низком разрешении, оно не показало бы непосредственно форму отдельной молекулы, поскольку молекулы белков то тут, то там тесно сближаются. Нельзя различить, где заканчивается одна молекула и начинается другая. К счастью, Перуц изучал ряд сходных структур упаковки – несколько стадий усыхания, – и при допущении, что молекулы белка достаточно стабильны и просто упакованы немного иначе на разных стадиях, можно было сузить круг возможных форм.

Я добился некоторых успехов в решении главной задачи, но потом застрял. Тем временем Брэгг независимо от меня задумался над ней. В то время как я увяз, он делал стремительные успехи. Он сделал смелое допущение, что форму можно в грубом приближении свести к эллипсоиду – простейшему типу искаженной сферы. Затем он обратился к тем немногим сведениям, которыми мы располагали, о кристаллах гемоглобина других видов животных, предположив, что молекулы всех типов гемоглобина, вероятно, примерно одинаковы по форме. Более того, его не обескураживало, если данные не соответствовали его модели в точности, поскольку молекула вряд ли представляла собой точный эллипсоид. Иными словами, он делал смелые, упрощающие допущения, обращался к максимально широкому спектру данных и, в отличие от меня, относился критически, но не педантично, к соответствию между моделью и экспериментальными фактами. Он додумался до формы, которая в итоге оказалась неплохим приближением реальной формы молекулы, и они с Перуцем опубликовали об этом статью. Результат не имел первостепенного научного значения – хотя бы потому, что метод был косвенным, – и нуждался в подтверждении более прямыми методами, но для меня этот пример стал откровением, как надо проводить научное исследование и, что еще важнее, как этого делать не надо.

По мере ознакомления с основной проблемой я стал тревожиться о том, как же ее возможно разрешить. Как я уже говорил, рентгенограммы содержали только половину необходимой информации, причем было известно, что часть из нее, по-видимому, лишняя. Существовал ли какой-то системный метод, позволяющий ее использовать? Как выяснилось, существовал. За несколько лет до того специалист по кристаллографии Линдо Паттерсон продемонстрировал, что экспериментальные данные можно использовать для создания карты плотности, которая теперь называется картой Паттерсона [Все амплитуды компонентов Фурье возводятся в квадрат и все фазы обнуляются.]

Что означала эта карта плотности? Паттерсон продемонстрировал, что она отражает все возможные интервалы между максимумами на карте реальной электронной плотности, все в суперпозиции, так что, если на карте реальной плотности часто присутствует высокая плотность на расстоянии в 10 ангстрем в определенном направлении, то на карте Паттерсона в соответствующем направлении будет пик на расстоянии в 10 ангстрем от начала координат. (Ангстрем – единица измерения, которая равняется одной миллиардной доле метра.) Выражаясь математически, получится трехмерная карта автокорреляционной функции электронной плотности. Для кристаллической ячейки из совсем небольшого количества атомов, если использовать рентгеновскую дифракцию в высоком разрешении, порой можно расшифровать такую карту всех возможных межатомных расстояний и получить реальную карту расположения атомов. Увы, в белках атомов слишком много, а разрешение было слишком низким, так что дело было практически безнадежным. И все же выделяющиеся закономерности на карте Паттерсона могли указывать на общие особенности расположения атомов, и более того, Перуц предсказывал, что белковая молекула при укладке дает «стержни» электронной плотности, уложенные в определенном направлении, поскольку наблюдал «стержни» в соответствующем направлении на карте Паттерсона. Как выяснилось впоследствии, «стержни» в реальности оказались не такими высокими, как он представлял себе (на тот момент он располагал только относительной интенсивностью пятнышек на рентгенограмме, но не их абсолютным значением), так что укладка белка была не так проста, как он предполагал.

Его расчеты карт Паттерсона для кристаллов конского гемоглобина были сложной и трудоемкой работой, поскольку в те времена методы – как обработки данных рентгеновских снимков, так и расчетов преобразований Фурье – были по современным меркам до крайности примитивны. Требовалось выращивать много кристаллов (так как каждый из них мог вынести лишь определенную дозу рентгеновских лучей, а потом разрушался), делать много рентгенограмм, заниматься их перекрестной калибровкой, измерять «на глазок» и вносить систематические поправки. Расчеты проводились не на компьютере в нынешнем смысле слова (он появится позже), а на табуляторах IBM с перфокартами. Они отнимали у ассистентов до трех месяцев и были очень трудоемкими. Затем все полученные данные следовало нанести на карту и вычертить контуры, пока в конце концов не получалась стопка прозрачных листов, отображавших отдельные участки Паттерсоновой плотности в виде изолиний. Насколько мне помнится, изолинии отрицательных значений (средняя корреляция была принята за ноль) отбрасывались, а учитывались только положительные значения.