Самая молодая и, пожалуй, самая модная сейчас наука - биоорганическая химия. Проще говоря, химия жизни, живого. Вдумайтесь: химия - наука о составе и строении вещества, и вдруг - сама жизнь. Хотя термин и возник на наших глазах и мы даже можем себя считать не просто свидетелями - участниками рождения этой новой науки,- все равно поразительно. Сенсационные открытия последнего времени - прочитана структура белка, выделены и изучены вирусы и расшифровано вещество наследственности - еще десять лет назад были чудесами. Сегодня на улице Вавилова в Москве Институт биоорганической химии Академии наук каждый день занимается этим, как обычной работой: из живых «кусочков» складывает «буквы», затем «слова», из «слов» - «фразы», чтобы научиться бегло читать «Книгу Жизни».
Биоорганическая химия не смогла бы развиваться без помощи и теснейшей взаимной связи с молекулярной биологией, биофизикой, просто биологией, даже медициной и фармакологией, обычной физикой и химией - словом, всем тем комплексом наук, что ныне составляет науку о живом. Сотни институтов, центров, лабораторий во всех странах мира заняты ныне этой «наукой номер один».
В нашей стране координирует работу разветвленной сети этих научно-исследовательских учреждений секция химико-технологических и биологических наук Президиума Академии наук и ее председатель - вице-президент Академии наук академик Юрий Анатольевич Овчинников. В 1974 году он удостоен почетной премии Федерации европейских биохимических обществ. Избран почетным членом немецкой академии естествоиспытателей «Леопольдина». В 1981 году удостоен высокого звания Героя Социалистического Труда.
Об Овчинникове рассказывать трудно. Вся его биография умещается на одной странице. И здесь дело не в возрасте. Просто не было в его жизни столь милых сердцу биографа драматических или героических событий.
На первый взгляд все укладывается в привычную схему: родился - учился - работал. Сначала Москва. Потом война, эвакуация с матерью и младшим братом и сестрой в сибирское село. С четвертого класса - Красноярск, центр Восточной Сибири. Там и окончил среднюю школу с золотой медалью, и за тысячи километров - в Москву, совсем один. Сразу же, с «первого захода» поступил в Московский государственный университет на химический факультет.
На третьем курсе надо было уже думать о специализации. Неожиданно для всех душа общества, заводила всех университетских «капустников», веселый, обаятельный парень Юра Овчинников попросился к преподавателю Юрию Александровичу Арбузову. Уже немолодой, малообщительный, «застегнутый на все пуговицы», как говорили за глаза студенты, Арбузов беспощадно ставил двойки даже после праздников и никогда не искал популярности. У него не было ни одного дипломника, ни одного аспиранта.
- Вы совершаете ошибку,- сухо ответил Арбузов, когда Овчинников попросил разрешения работать в его лаборатории.- У меня никто не работает. Я вас измучаю...
«Но я влюбился в него сразу и навсегда,- вспоминает Юрий Анатольевич.- За внешним обликом сухаря и педанта скрывалось огромное душевное богатство, неисчерпаемый кладезь знаний. Этот человек удивительно серьезно, прямо-таки истово, относился к своему делу. В его лаборатории, 18-метровой комнатушке, мы просиживали иногда за полночь, не жалея ни сил, ни времени, чтобы добиться нужного эффекта. Арбузов требовал кристальной, абсолютной чистоты в эксперименте и нередко затрачивал вдвое больше времени, чтобы получить отрицательный результат и тем самым еще раз подтвердить положительный. На примере из обычной жизни это выглядело бы так. Точно знаешь, что в ящике десять яблок, берешь оттуда четыре, и, само собой разумеется, остается шесть. Вот этого «само собой разумеется» Арбузов не признавал и требовал опытным путем доказать, сколько и чего именно осталось».
Арбузов был тем, кого называют «чистым химиком». Его интересовала только сама реакция, ее ход, ее особенности. Ему принадлежит честь открытия новой реакции по синтезу так называемых гетероциклических соединений, которые много значат для получения новых лекарств. Однако Арбузов ими не занимался. Только чистая органическая химия, и ничего больше. Синтезом лекарственных веществ и моделей природных веществ он поручил заниматься Овчинникову, дал ему такую тему дипломной работы.
В тесной лаборатории то приятно пахло резедой, то некуда было спастись от резкого запаха чеснока, хотя ничего подобного никто туда не приносил. Щипало глаза, резало в носу и горле - исходные вещества попадались то слезоточивые, то вообще ядовитые. Овчинников из «неживых» химических материалов получал существующие в природе соединения - производные пирролидинов.
Давно был забыт театр. Чемпион МГУ по борьбе 18 часов в сутки проводил склонившись над колбами или над раковиной, лаборанта не было, и химическую посуду отмывали сами. На тренировки по плаванию тоже ходить стало некогда. Арбузов никогда не упрекал, ничего не говорил, но всем своим поведением показывал: для ученого может существовать только «одна, но пламенная страсть». Если заниматься наукой всерьез, надо отдать ей всю свою жизнь, без остатка, без оглядки. И это даст счастье.
«Я испытал удивительное чувство-меня сердило и раздражало, что наступает вечер и надо отрываться от работы. А утром едва успеваешь дождаться, пока доберешься до своих колб и сможешь увидеть нечто не доступное пока никому, кроме тебя»,- вспоминает это время Овчинников.
И вот наступила пора аспирантуры. Кстати, места аспиранта для Овчинникова тоже добился Арбузов. Никогда ни у кого не просивший об одолжении, он ходил ради своего ученика к академику Несмеянову. Им даже дали лаборантку. Стало легче со временем. Пришли два дипломника - сколачивался коллектив. Само собой разумелось, что тема в аспирантуре будет продолжаться та же. Но тут вдруг Арбузов принял неожиданное решение.
Пригласив Овчинникова к себе домой, он заявил:
- Все, что мог вам дать, я дал. Вы знаете, я немного старомоден. Эксперимент знаю хорошо. Проблематику - недостаточно. Вас все затягивает в медицину. Это правильно. У химии сейчас два пути. Либо она должна идти в практику - в промышленность, либо в биологию. Химики, работающие сами на себя, подобны калейдоскопу, создающему бесконечное разнообразие фигур без значения и выхода. Вы пойдете работать в новый Институт химии природных соединений, к Шемякину.
Так в жизни Юрия Овчинникова появился второй учитель - Михаил Михайлович Шемякин, будущий академик и директор института. Арбузов остался в университете. Он не мог, да и не собирался перестраиваться. Он просто выпустил своего птенца в полет.
Разница между работой в учебной лаборатории, пусть даже университетской, и в современном научно-исследовательском институте примерно такая же, как если вначале плавать на катере, а потом встать за штурвал океанского лайнера. Первоклассные ученые, владеющие методикой и новейшей техникой, занимались стереохимией - пространственным строением молекул, так как от расположения их деталей в пространстве зависели способы их синтезирования. Работа была захватывающе интересной, хотя учиться пришлось серьезно и почти заново. Биоорганическая химия еще только поднималась. Тем не менее за короткий срок с коллективом химиков удалось полностью синтезировать антибиотик тетрациклин, ныне всем известный важнейший лекарственный препарат. Казалось - все решено. Работа получилась, тема увлекательнейшая. Ведь антибиотики так загадочно, так фантастично устроены!
Но вышло все иначе. Шемякин вызвал и сказал: «Тетрациклин бросить. Заниматься будете пептидами - «короткими» белками». Никакие доводы, никакие мольбы, ссылки на научную увлеченность не помогли. Надо было знать Шемякина. Это был человек необычайно талантливый, но бурных, неуемных страстей - и в науке, и в жизни. В нем постоянно бушевало пламя, и он, как никто, умел зажигать других. Он не признавал ни компромиссов, ни полутонов и, если надо, готов был сломать чужую волю, но заставить сделать по-своему - у него были на это высокое право и высокая ответственность, он умел смотреть вперед. Может, это самое важное для руководителя научного коллектива.
В тот раз, как и всегда, он был неумолим.
- Ну что белки, это же скучно - простая цепь, - пытался сопротивляться Овчинников.
- Белки - эта сама жизнь. С ними не может сравниться никакой другой класс веществ. Они могут практически все, причем легко и просто. Все жизненно важные процессы организма проходят с непосредственным участием белков и контролируются ими. Ферменты - химические стимуляторы, защитные белки - антитела и интерфероны, структурные белки - строительный материал для мышц и костных тканей, биологические «гонцы» - гормоны, передающие сигналы управления и регулирования, транспортные белки - например, переносчик кислорода гемоглобин. Да что там говорить! А яды - змеиный, пчелиный или антибиотики... Вспомните только, в каких ничтожных концентрациях действуют эти песчинки жизни - всего один грамм гормона ангиотензина способен изменить кровяное давление у десяти миллионов людей! Изучение белков- сейчас самая интересная и важная тема.
Овчинников занялся депсипептидами. Название им дал Шемякин. Это были новые, неизвестные до тех пор соединения необычайно сложной структуры, не идущей ни в какое сравнение со сложностью атома или молекулы. Дело в том, что каждый извив их цепочки, каждое ее усложнение играли определенную роль в выполнении многообразных жизненных функций. Например, уже упомянутый регулятор кровяного давления ангиотензин построен из восьми аминокислот. А всего лишь из трех аминокислот можно построить более 8000 различных трипептидов. Цепочка же из шести аминокислот может иметь более 64 000 000 вариантов, причем каждый со строго определенным значением - своей жизненной функцией. Изучение строения белково-пептидных веществ, их роли и превращений в живом организме имеет не только фундаментальное значение для биологии, но и важно для решения практических задач медицины, сельского хозяйства, многих отраслей промышленности.
Чтобы получить хоть мало-мальское представление о безмерной сложности шифра, которым записана «Книга Жизни», нужно вспомнить, что пептиды и белки имеют несколько, как их называют биологи, «уровней структурной организации», а говоря проще, способов закручивания. Первичная - это последовательное чередование аминокислотных остатков, то есть сама цепочка - «буквы». Вторичная- закручивание отдельных участков этой цепочки в пространстве (например, спираль) - «слова». Третичная - свертывание всей цепи в целом в компактную систему (например, в клубок-глобулу). И четвертичная - упаковка нескольких клубков в сложную систему, функционирующую как единое целое,- их можно бы назвать «фразой» или «текстом». Именно эта «закрутка» и делает живое живым, позволяет ему выполнять жизненные функции.
Сейчас уже установлено, что «шифр» зависит от первичной структуры, то есть определенному типу первичной цепочки - «слову» - соответствует строго определенный тип вторичной, третичной и высших форм - «текста» или «предложения». Различный «смысл фраз» разделяет белки разного биологического назначения.
Как же удается определить столь сложную структуру, как научились читать «Книгу Жизни»?
Лаборатории Института биоорганической химии похожи на фантастическое сочетание ультрасовременной кухни лилипутов и электронной техники великанов. Чтобы выделить белок, надо по строгим рецептам составить раствор, разболтать и раскрутить его на центробежной машине, высадить на специальную бумагу, высушить, выпарить. А если мы вспомним, что все это происходит с крохотными долями вещества, то станет понятным, сколь миниатюрными мензурками, воронками и капиллярными пипетками орудуют биоорганики. Делается все очень тщательно и медленно - от чистоты и скрупулезности этой работы зависит успех структурного анализа.
Следующий этап - расщепление длинной цепи пептида или белка специальными методами в определенных местах. Чаще всего для этого используют в качестве «ножниц» те же белки - ферменты, которые разрезают пептидную цепь по некоторым ее связям. Короткие кусочки цепи разделяют далее с помощью электрофареза или хромотографии, основанной на способности аминокислот по-разному поглощаться на твердом носителе. Но знание структуры каждого звена еще не говорит о том, в каком порядке звенья связаны между собой. Тогда вступают в действие более сложные механизмы из «арсенала великанов» - физические приборы, масс-спектрометры, соединенные с ЭВМ, установки рентгеновские и установки для ядерного магнитного резонанса. Иногда же бывает необходим весь комплекс физических методов.
«Мы работали не только хорошо. Мы были просто в каком-то остервенении, - рассказывает о начале этих исследований Овчинников.- Нами владело чувство захватывающего восторга, иначе, пожалуй, и не назовешь. Впереди - нетоптанное поле, целина. Ничего в этой области нигде в мире не было сделано - начинай, пробуй, что хочешь, иди в любом направлении...»
Меньше чем за год были получены результаты мирового уровня. Они опровергли бытовавшие тогда представления. Сейчас изучение депсипептидов - крупнейшая отрасль науки, которой занимаются в десятках институтов разных стран. Она уже дала огромной важности выходы в биологию и медицину, так как по принципу депсипептидов построены многие биологически активные вещества и важнейшие антибиотики. Когда Овчинникову в 1961 году пришлось докладывать на Международном биохимическом конгрессе в Лондоне результаты работ советских ученых, председательствующий - известный ученый Леонидас Зервас - назвал этот день «русским» днем.
Пептиды дали толчок к развитию совсем новой области науки - изучению биологических мембран, своеобразных «часовых» живой клетки.
Мембраны пропускают с недоступной человеческой технике строгостью и точностью только те вещества, которые необходимы для жизнедеятельности клетки. Овчинникову и его группе удалось приоткрыть завесу над этой тайной - выяснить конкретный молекулярный механизм переноса ионов металлов через клеточные мембраны. О значении открытия можно судить хотя бы по тому, что перенос, скажем, ионов калия и натрия определяет процесс дыхания, передачу нервного возбуждения, регулирует сокращение мышцы сердца, действие некоторых смертельных ядов связано с нарушением переноса ионов калия. Так, валиномицин - 36-членный кольцеобразный депсипептид, обладает уникальной способностью ускорять в десятки раз прохождение ионов калия через мембраны. А все его поразительные биологические свойства определяет особое пространственное строение - он может принимать форму «браслета». Выяснилось, что именно такой «браслет» позволяет избирательно связывать ионы калия, оставаясь безразличным ко всем другим ионам. Дальнейшие исследования в этом направлении позволили приоткрыть завесу над тайная тайных - выяснить молекулярный механизм транспорта ионов металлов через клеточные мембраны.
Позднее было обнаружено и единственное из известных природных соединений, которое способно избирательно связывать натрий. Это вещество - антаманид. Его молекула «ухитряется» сложиться так, что пептидная цепь как бы образует бороздку теннисного мяча. Антаманид в ничтожно малых концентрациях может, скажем, полностью нейтрализовать смертельный яд фаллоидин, встречающийся в грибах бледных поганках, так как действие этого яда связано с нарушением переноса ионов калия через биологические мембраны.
Ю. А. Овчинников вскоре стал Председателем научного совета Академии наук по комплексной проблеме «Биологические мембраны и использование принципов их функционирования в практике».
В 1970 году на симпозиуме в Риге, который стал полным триумфом новой науки - биоорганической химии, произошло несчастье. Внезапно умер от инфаркта академик Шемякин. Он был не просто учитель или руководитель. Он был духовный отец.
Когда уходит большой ученый, коллективу, созданному им, нередко грозит распад. Но в институте удалось сохранить тот же настрой. Как только оправились от шока, работа была продолжена с прежним энтузиазмом, хотя, правда, пришлось поначалу трудно, трудней некуда. Это было общее пожелание - чтобы директором Института биоорганической химии имени М. М. Шемякина стал Овчинников. Он уже приобрел к тому времени опыт руководителя большого коллектива.
«Я ведь тогда думал, административная работа - как наука, все ясно, никаких компромиссов, только вперед. Оказалось куда сложней, но и в чем-то интересней - узнавать людей, помогать им, определять научную политику... Где-то надо было и рисковать, принимать ответственные не только для себя - для больших коллективов решения. В частности, от пептидов перешли к белкам. За полтора года был сделан «полный портрет» белка - фермента трансаминазы. Это был первый белок, один из самых сложных, полностью полученный в нашей стране»,- вспоминал об этом времени Ю. Овчинников.
Потом прибавилась работа в академии - в секции химико-технических и биологических наук. Позднее на академика Овчинникова были возложены обязанности вице-президента Академии наук, он стал почетным членом многих зарубежных академий наук.
Можно научиться читать великую «Книгу Жизни». Трудно, но можно. Куда сложнее разобраться в тонкостях человеческих отношений. Это уже нечто иное, чем просто наука и просто искусство. Талантливый ученый-руководитель, ученый-организатор - едва ли не более редкое явление, чем талантливый первооткрыватель. Еще реже они сочетаются. И тогда это требует от человека полной и абсолютной отдачи...
Но вернемся к белкам. К их повелителю и командиру - ДНК. Нити ДНК настолько тонки, что, если бы собрать вместе все гены всех клеток взрослого человека, они уместились бы в наперстке. Они так туго скручены, так экономно размещены, что если их размотать и соединить в одну нить, она смогла бы чуть не сто раз протянуться от Земли до Солнца и обратно.
А теперь представьте себе, что человек с его громадными и грубыми, в сравнении с этой тонкостью, пальцами, с его несовершенными глазами, для которых волос уже служит эталоном тонкости, вторгается в эту святая святых природы. И не просто вторгается, а, стремясь превзойти в изощренности природу, хочет по своей воле и желанию «пересадить» любой кусочек гена - кусочек, даже не целый ген, не хромосому! - в другое место, опять же выбранное им специально и осмысленно. Невероятно! Чудеснее всех чудес! И тем не менее это чудо произошло ранее чем через двадцать лет после расшифровки «ключа жизни». Чудо получило название «генная инженерия». Наступит пора, когда биологи смогут конструировать живые существа, как конструкторы - машины, меняя в ДНК одни «буквы» - детали наследственности на другие. Вдумайтесь: сотни лет человечество стремилось найти новые формы жизни на других планетах. И наконец настанет такой день, когда можно будет создать их на Земле...
...В волшебном свете прозрачного экрана хемоскопа на дне пробирки мягко сияет тоненькая полоска.
- Наденьте очки,- говорит за-ведущий лабораторией Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН в биологическом центре в Пущино-на-Оке Николай Иванович Матвиенко и кивает на темный угол стола, где они лежат, самые обычные, связанные за дужки веревочкой.- Ну да, простые стекла. Не удивляйтесь, они не пропускают ультрафиолет, защищают глаза от ожога.
Так или почти так буднично могло бы состояться наше первое знакомство с одним из главных героев этой строго научной, но превосходящей любую фантастику чудесной эпопеи.
Имя героя - фаг Лямбда. В тонкой светящейся полоске заключена вся его сущность - все секреты его бытия, передающиеся из поколения в поколение так, чтобы всегда, при любых обстоятельствах, появлялся на свет именно он, фаг Лямбда, и никто другой.
Но дело в том, что наш герой - фаг Лямбда - совсем недолго останется самим собой. И в этом - основной драматизм назревающего события. Может быть, через час, а может быть, через день мерцающая в химическом стекле субстанция превратится в нечто совсем иное, чему пока нет даже названия. На наших глазах родится это «нечто», и название ему будет сотворено человеком.
Как и по каким «рецептам» творят биологи свои чудо-существа? Что такое «генная инженерия» и почему ее так называют? В чем отличие обычной молекулярной генетики, которая ведь тоже, как мы уже знаем, способна изменять генетический набор, вооружившись современными средствами - химическими веществами, ультрафиолетом, радиацией и другими,- от своего детища - генной инженерии, и почему это направление называют новой эрой в биологии и тому подобными торжественными терминами, и что несет новая эра людям? Зададим наши вопросы академику Александру Александровичу Баеву, который возглавляет Отделение биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений АН. Под руководством академика Баева в его лаборатории в Пущинском институте были начаты первые в нашей стране эксперименты по генной инженерии, и сейчас он координирует все исследования по проблеме во всех научных учреждениях страны.
