Суперкомпьютеры и клеточные мембраны

В 1944 году физик Эрвин Шредингер, один из основателей современной квантовой механики, опубликовал небольшую книгу, которая изменила ход современной биологии. “Что такое Жизнь?” – лихо вопрошает заголовок. Могут ли события внутри живого организма быть объяснены исключительно физикой и химией? – Да, могут, – отвечает Шредингер. “Неспособность современной физики и химии объяснить такие события вовсе не дает оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими науками в будущем.”

Эта мысль привлекла поколения ученых-физиков к биологии и стала поводом создания таких коллабораций как Theoretical and Computational Biophysics Group под шефством Клауса Шультена. Это объединение экспериментальных биологов и кафедр физики, химии, биохимии, клеточной и молекулярной биологии из Иллинойского университета в Урбана-Шампейне с лабораториями по всему миру. Особую роль в группе занимают профессиональные программисты – ПО разработанное группой используется научными сотрудниками по всему миру.

Даже здание в котором обосновалась коллаборация спроектировано с заделом на сотрудничество. TCBG разместилась в крыле Института Бекмана, привлекательного шестиэтажного здания из известняка и кирпича, окруженного ухоженной зеленью. Исследователи собираются в конференц-залах, ночуют в кафе на первом этаже в просторном атриуме или встречаются для мозгового штурма в холлах и закутках с диванчиками и маркерными досками.

Это история об исследователях, которые пытаются понять таинства жизни, воспроизводя их силами компьютерного моделирования и о становлении вычислительной биологии как таковой.


Оглавление

  1. Мембранные белки: всегда на горизонте

  2. Красная селедка

  3. Бравые в Баварии

  4. Безобразные вычисления

  5. Рискуя всем

  6. Подойдет ли компьютер для мембраны?

В каждой трудности кроется возможность. А. Эйнштейн

Клаус Шультен раскрывает тайны биологии, работая в области вычислений чрезвычайно молодой по сравнению с устоявшимися и многовековыми областями теории и эксперимента. “На все новое смотрят с большим скептицизмом, даже если это абсолютно необходимо и действительно очень успешно в биологии.” (примечание) Его путь в вычислительных науках не всегда был гладким. Он объясняет, что согласно утверждениям теоретиков, люди, занимающиеся вычислениями, не так умны, как люди теории, а экспериментаторы заявляют, что то, что делает Шультен, – это просто виртуальная реальность. Таким образом, вычисления – это новая отрасль науки, которая с трудом набирала обороты. Шультен объясняет это тем, что наука чрезвычайно консервативна; ей приходится быть такой, чтобы убедиться, что все тщательно проверено. Поэтому принятие новой ветви неизбежно идет медленно.

Но почему Шультен готов мириться с необоснованным презрением? Очень просто: то, чем он сейчас зарабатывает на жизнь, – это то, о чем он всегда мечтал. Он был ребенком, который любил природу, любил живые системы, но в то же время был склонен к математике. Он всегда хотел изучать живые системы, но теоретически – используя математику. И тогда, в самом начале своей карьеры профессионального ученого, он понял, что для того, чтобы объяснить биологию и захватывающий мир живых клеток, ему нужно использовать компьютер. “Биология – это детали, а считать детали на самом деле удобней с помощью компьютера.” Сложность и важность такой биологической системы, как клеточная мембрана, делают ее главным кандидатом для вычислительных исследований. Структура мембраны постоянно меняется с течением времени, и такие быстрые колебания структуры очень трудно уловить и увидеть экспериментам. Но не для компьютера – он может прояснить детали структуры по мере ее изменения с течением времени. “Так что это действительно одно из лучших применений компьютера в моделировании – иметь дело с мембранами, в которые встраиваются белки.”

BAR-домены, белки, которые лепят мембраны.
BAR-домены, белки, которые лепят мембраны.

Мембрана – это место, где происходит целый ряд захватывающих вещей: импорт, экспорт, передача сигналов. Даже некоторые химические реакции происходят на мембране. У высших форм жизни, например у человека, мембрана не только окружает клетку снаружи, но и внутри клетка также разделена мембранами. “Это как небоскреб с тысячами комнат. Многие комнаты должны отличаться друг от друга, в них должны быть двери, а некоторые комнаты даже должны быть мобильными отсеками, которые регулярно перемещаются.” И боже упаси вас спросить Шультена о нервных клетках. В то время как мембраны состоят из молекул, называемых липидами, можно наивно ожидать, что составлять мембраны сложных клеток нервной системы будут десятки видов липидов. Но нет, в мозге их будет около 300 000 видов! Шультен сравнивает нервные клетки с замысловатым бумажником с монументальным массивом разделительных листов, отличающихся друг от друга. Этот тип клеток с их бесчисленными липидами является лишь одной из многих причин, которые привлекают Шультена к изучению мембран и белков входящих в их состав.

Для того, чтобы прочувствовать, предлагаю посмотреть превьюшку. – ком. перев.

Еще одна причина, по которой эти системы соблазняют Шультена, заключается в том, что он видит в них возможность делать открытия с помощью компьютера. Живая клетка очень сложна. В отличие от физической системы, такой как кристалл, в котором элементарная ячейка повторяется до бесконечности, в биологической клетке нет симметрии. Это больше похоже на страну, в которой есть общества, кварталы, деревни, города и регионы. “Но единственный способ, которым я могу это сделать, из-за всей этой сложности и неоднородности – это компьютер.” Мембранные белки являются особенно плодородной почвой для Шультена и его любви к открытиям. Многие экспериментальные методы изучения белка в мембране требуют, чтобы белок находился вне мембраны, то есть вне своей естественной среды, например в кристалле. Но при компьютерном моделировании белок встроен в мембрану, чтобы более естественно имитировать исходную среду белка. Это дает компьютеру преимущество. Кроме того, определение структуры с помощью рентгеновской кристаллографии часто не может захватить белок в его функциональном состоянии, и поэтому компьютер является одним из инструментов, используемых для выявления структуры активного состояния мембранного белка. И, наконец, поскольку компьютерное моделирование отображает поведение с течением времени, Шультен часто может видеть белок в действии, то есть наблюдать, как белок выполняет свою функцию, например, как каналы избирательно пропускают воду, исключая протоны, или как мембранные белки на самом деле лепят свою мембрану в желаемую форму.

Шпинатный аквапорин, мембранный белок, который проводит воду, один из многих мембранных белков, которыми Клаус Шультен занимался в своей карьере.
Шпинатный аквапорин, мембранный белок, который проводит воду, один из многих мембранных белков, которыми Клаус Шультен занимался в своей карьере.

Клаус Шультен начал свою научную карьеру в 1970 году, но ему буквально пришлось ждать почти тридцать лет, прежде чем приступить к мембранным белкам, хотя они всегда были у него на уме в ранние годы. Он нуждался в фактической структуре белка, чтобы сделать какие-либо значительные открытия, и ему нужно было отточить компьютер до такой степени, чтобы он был уверен, что этот инструмент достаточно сложен, чтобы справиться с белком + мембраной. Никто не мог кристаллизовать мембранные белки, чтобы получить структуру до 1984 года, и только затем начали медленно появляться новые структуры. Теперь, во втором десятилетии двадцать первого века, у Шультена есть множество мембранных белковых структур для работы, и это стало своего рода горячей областью. И не зря. По оценкам, около четверти человеческих белков, кодируемых геномом, являются мембранными белками; и более пятидесяти процентов фармацевтических мишеней являются мембранными белками.

Но путь Шультена в этой области не всегда был легким. Он очень рано понял, что компьютеры станут незаменимыми, но не мог заставить никого работать с собой, молодым профессором, в вычислительной биологии. Результатом стал ошеломляющий и возмутительный план, который он составил, чтобы самому убедиться, подходит ли компьютер для характеристики мембран. Он должен был найти лучший способ использовать параллельные вычисления в своих исследованиях, когда параллельные вычисления были в зачаточном состоянии, что требовало еще одного бесстрашного плана действий. И его новаторская работа над одной из крупнейших систем того времени подвергалась сомнению на каждом шагу.

Однако такие невзгоды сочетались с упорством, и Шультен все лучше и лучше использовал компьютер для биологических систем. Цель таких затратных вычислений для Шультена состоит в том, чтобы описать биологическую организацию, объяснить белковые клеточные общества с целью совершения открытий. Когда Шультен был молодым ученым, он никогда и не мечтал о том, каких успехов он и другие добьются в области мембранных белков. “Если бы кто-то сказал мне, что вы никогда не сможете описать мембрану и белок, я бы сказал, дескать, очень жаль, может быть, я должен переключиться, но я нахожу это таким интересным, поэтому, буду продолжать”. К счастью для Шультена, его настойчивость окупилась и дала ему много возможностей для открытий. Шультен говорит, что его профессия постоянно вынуждает “переворачивать камень и смотреть, что под ним, открывать новую дверь и заглядывать в новую комнату”. Слияние мембранных процессов с компьютером, несомненно, дало Шультену много новых комнат для просмотра, как мы увидим ниже.

Мембранные белки: всегда на горизонте

К середине 1970-х годов у Клауса Шультена был целый ряд интересов в области биологических систем, которые он, к сожалению, не мог изучать с какой-либо определенностью. И он даже не был уверен, будет ли возможно в дальнейшем исследовать белок, естественным домом которого является мембранная среда. “Таким образом, никто не мог реально предвидеть, как далеко это продвинется”. Тем не менее, он был очарован процессами, зависящими от белков в мембранах: фотосинтезом, зрением и биоэнергетикой на основе бактериородопсина. Для такого рода исследований, Шультену нужна была структура мембранных белков. В то время даже в учебниках утверждалось, что невозможно сделать кристаллы из мембранных белков, что было бы необходимым первым шагом в рентгеновской кристаллографии для открытия структуры с высоким разрешением.

Иллюстрация из  "Du und das Leben"
Иллюстрация из “Du und das Leben”

Увлечение Шультена зрением и фотосинтезом можно проследить даже с детства. Когда он был еще маленьким мальчиком, он читал серию научных книг для детей с такими названиями, как “Ты и математика” или “Ты и химия”. Но больше всего поразила его воображение детская книга известного австрийского этолога Карла фон Фриша, озаглавленная “Du und das Leben” [Ты и жизнь]. Хотя Шультен, скорее всего, читал эту книгу более 50 лет назад, он все еще живо помнит главу о том, как жизненные формы производят АТФ посредством фотосинтеза или потребления пищи. “Я чувствовал, что это мое призвание. Я хотел понять, как жизненные формы используют энергию для производства АТФ, а затем запускают с ней многие процессы”. На самом деле, он сформировал для себя главную мысль состоящую в том, что для понимания жизни необходимо исследовать лежащие в основе молекулы, которые образуют живые клетки, как подчеркивал фон Фриш в своей книге. В начале 1960-х годов, когда Шультен впервые прочитал эту книгу, молекулярное изучение форм жизни находилось в зачаточном состоянии, но оно пробудило в нем интерес настолько, что он поставил перед собой цель: прояснить интеллектуально, а не экспериментально мир атомов и молекул лежащий в основе жизни. Примечательно, что именно этим он и занимается сегодня.

Школьные годы Шультена, очевидно, были заполнены внеурочным чтением, потому что ему были очень скучны темы, которые пытались преподавать учителя. На самом деле, он регулярно бросал им вызов, и за это другие ученики прозвали его “Профессором”; они никогда не называли его Клаусом. Как-то раз, учитель призвал Шультена сделать презентацию из учебника о линзах в глазу, так как никто другой не поднял бы руку. Было ясно, что учитель выбрал Шультена из безысходности. После того, как мальчик изложил информацию о поведении хрусталика, он начал рассказывать классу, как воспринимается свет в глазу, и о родопсине (кстати, мембранном белке). Учитель был в ярости, потому что этого слова уж точно не было в учебнике. Шультен получил словесный выговор, но он уже привык к этому, так что особо не беспокоился.

Хотя зрение и фотосинтез, возможно, увлекли подростка Клауса Шультена, его понимание зрения стало намного глубже, когда он поступил в Гарвардский университет в аспирантуру по физике в 1969 году. Там, в Кембридже, он присутствовал на групповых собраниях Джорджа Уолда, получившего в 1967 году Нобелевскую премию за исследования зрительных процессов. От Уолда Шультен узнал о передовых разработках родопсина.

В человеческом глазу фотопигменты, поглощающие свет, находятся в палочках и колбочках. Эти фотопигменты состоят из белков, которые связывают ретиналь, визуальный хромофор, недавно описанный Уолдом. В палочках, например, сетчатка связана с белком родопсином, а в колбочках – с белком фотопсином. Палочки и колбочки функционируют одинаково, за исключением того, что длины волн поглощения различны, но и те и те зависят от основной молекулы ретиналя. Одна сторона длинного стержня или конуса состоит из ряда плоских дисков, уложенных друг на друга, причем в мембране этих дисков находится ретинальный белок. В стержне, когда свет попадает на фотопигмент, ретиналь меняет форму, а затем следует ряд шагов преобразования изменения формы в нервный импульс. В то время как палочки поглощают в одинаковой области спектра, колбочки поглощают красную, зеленую, либо синюю область; небольшие изменения в белках опсина определяют различные пики поглощения в колбочках – опять же, ретиналь остается одинаковой в трех различных зрительных рецепторах колбочек.

Ретиналь (красным цветом) - универсальная молекула у всех зрячих видов, о многих свойствах которой Клаус Шультен впервые узнал от пионера Георга Уолда.
Ретиналь (красным цветом) – универсальная молекула у всех зрячих видов, о многих свойствах которой Клаус Шультен впервые узнал от пионера Георга Уолда.

Ретиналь удивительна тем, что она является основной молекулой зрения у зрячих видов, хотя глаза эволюционировали независимо у разных видов насекомых, моллюсков и хордовых. Джордж Уолд открыл, что комплекс ретинал + опсин был фотопигментом, ответственным за зрение, и понял, что ретинал – это форма витамина А. На самом деле он был центральной фигурой в изучении молекулярного аспекта зрения – аспекта, заинтриговавшего молодого Шультена, который хотел сам изучить молекулы жизни. И Шультен по сей день помнит все захватывающие подробности, которыми Уолд поделился о ретинале; Шультен вспоминает, что Уолд объяснял, что у лягушек-быков есть два вида ретиналя, причем один работает больше, когда животное смотрит на голубое небо, а другой – на воду, красноватую сцену. В этом случае длина ретиналя сильно отличается, так что она поглощает либо синий (небо), либо красный (вода) в зависимости от потребностей животного. Лягушке-быку, возможно, нужно смотреть в небо, чтобы увидеть кружащих хищных птиц, или смотреть вниз на воду, чтобы выслеживать насекомых. “Для меня это было захватывающе, потому что я уже знал о ретинали и было здорово узнать, что она бывает двух видов, и что одна поглощает немного больше красного. И оказалось природа действительно использует это.”

(видеоролики для понимания: раз, два, три – прим. перев.)

В то время как зрение и фотосинтез всегда были на радаре Клауса Шультена, когда он был аспирантом, он получил шанс в публикации 1978 года действительно поработать над фотосинтезом. Хотя это укрепило в нем пожизненную любовь к фотосинтезу, он будет ждать десять лет следующей возможности изучить эту тему, поскольку ключевые белки, участвующие в этом процессе, являются мембранными белками. В 1978 году, когда еще не была определена структура мембранных белков, а тем более белков, участвующих в фотосинтезе, Шультен не мог по-настоящему углубиться в эту тему до такой степени, чтобы чувствовать себя комфортно. Но наблюдение, которое он сделал в своей статье 1978 года, было полезным вкладом в эту область.

АТФ-синтаза, мембранный белок, который Клаус Шультен в конце концов изучит, чтобы помочь осуществить свою детскую мечту о понимании АТФ, универсальной валюты жизни
АТФ-синтаза, мембранный белок, который Клаус Шультен в конце концов изучит, чтобы помочь осуществить свою детскую мечту о понимании АТФ, универсальной валюты жизни

К 1974 году Шультен закончил аспирантуру в Гарварде и получил свою первую работу в Германии, в Институте биофизической химии Макса Планка. Он был буквально единственным теоретиком в экспериментальной группе, руководимой Альбертом Веллером, директором в Геттингене. Веллер немедленно поставил перед своим новым теоретиком задачу: выяснить, почему продукт в стандартной реакции переноса электронов появляется намного быстрее, чем ожидалось. Продукт представлял собой возбужденную молекулу с двумя электронами, спины которых были параллельны; этот продукт был назван “быстрым триплетом”, поскольку на языке квантовой механики два электрона с параллельными спинами известны как триплеты. Шультен принялся за работу и разгадал, почему в любимой реакции Альберта Веллера возникают такие эффекты.

Один из ключевых аспектов заключается в том, что магнитное поле может влиять на химическую реакцию. Шультен понял, что для доказательства этого утверждения экспериментаторы могут запустить реакцию как с присутствующим магнитным полем, так и без него и подтвердить его теоретическое открытие. Предположив, что магнитное поле может изменить химическую реакцию, Шультен был посмешищем лаборатории, пока некоторые экспериментальные данные от члена группы и хорошего друга Хьюберта Стаерка не подтвердили, что Шультен не был сумасшедшим.

Одна из важных вещей, которую постулировал Шультен, работая над загадкой быстрых триплетов, заключалась в том, что он понял, что определенный вид молекулы (способной образовывать радикальные пары) может действовать как компас в птице для обнаружения магнитного поля. Эта история, в которой Шультен постулирует, что определенная молекула может объяснить магниторецепцию птиц, более подробно рассказана в другой статье. Достаточно сказать, что дилемма Веллера предоставила Шультену плодородную почву для дальнейших изысканий.

На самом деле именно наблюдение Шультена о влиянии магнитного поля на химическую реакцию на короткое время привело его в область фотосинтеза, когда он был в Геттингене. Группа Веллера была сосредоточена на реакциях переноса электронов. Игрушечная система Веллера представляла собой пирен и диметиланилин, но Шультен говорит, что все в группе, включая его самого, знали, что реакции переноса электронов также происходят в биологических системах, а именно в фотосинтезе. Но точные детали переноса электронов в белках, ответственных за фотосинтез, не были точно известны – чтобы узнать это, нужно было бы разметить структуру фотосинтетических мембранных белков с высоким разрешением. “Таким образом, люди понимали, что существует особая пара хлорофиллов, которая поглощает свет и затем поэтапно переносит электрон через эти белки, которые сидят в мембране, и тем самым заряжают мембрану.” В то время как другие ученые, включая некоторых из группы Веллера, собрали воедино модели для ключевых групп хлорофиллов, а также некоторые детали о феофитинах и хинонах, никто не мог быть уверен, как все точно работает без структуры. В это время неопределенности Шультен говорит, что каждое дополнительное наблюдение о фотосинтезе и сопутствующих ему реакциях переноса электронов было бы полезно.

Первая в истории публикация Шультена о фотосинтезе была в основном предложением научному сообществу, что эксперимент, проведенный как с магнитным полем, так и без него, даст наблюдаемое, которое можно измерить – триплеты. Экспериментаторы могли бы заметить разницу в результатах, основанную на наличии или отсутствии магнитного поля. Шультен говорит, что все в группе Веллера знали о биологических системах, испытывающих перенос электронов, поэтому предположение о том, что эксперименты могут измерять триплеты в фотосинтетическом переносе электронов, было очевидным. Он опубликовал это предложение в 1978 году, работая со студентом Гансом-Иоахимом Вернером, который позже стал мировым лидером в области квантовой химии.

Красная селедка

“Она все время была у нас под носом”, – говорит Шультен о бактериальной системе, которая очаровала его в 1970-х годах, когда был открыт один из ее важнейших мембранных белков. В то время как Шультен был заинтригован зрительным рецептором родопсином, по крайней мере, еще в средней школе, а затем стал более глубоко ценить его роль с подачи Джорджа Уолда, все известные в то время родопсины принадлежали к животному царству. Может ли быть так, что бактерия тоже обладает родопсином, как предполагалось согласно новому открытию в 1971 году? У бактерий нет сенсорных белков. Что делает в их мембранах родопсиноподобный белок?

Шультен рассказывает, что рассматриваемая бактерия, названная в то время Halobacterium halobium, существовала в различных средах, но ученые долгое время ее не замечали. “Одна из сред обитания на самом деле является пресловутой красной селедкой. Красная сельдь – это рыба, кишащая бактериями.” В прежние времена люди регулярно солили рыбу, чтобы сохранить ее, потому что бактериальные загрязнители не могут размножаться в соленой среде. Что же это за бактерия, которая живет в консервированной рыбе, буквально в соленой сельди? Оказывается, это вовсе не бактерия. Это разновидность экстремофилов, называемых галофилами (по-гречески солелюбивыми), которые принадлежат к царству жизни, называемому археями. Но когда в начале 1970-х годов Шультен впервые услышал о том, что в Halobacterium обнаружен белок родопсин, все решили, что эти солелюбивые организмы – бактерии. На самом деле, чтобы еще больше запутать дело, белок родопсина был назван “бактериородопсином”, название, которое сохранилось даже по сей день. (В 1971 году он был обнаружен в Н. halobium, которые позже были отнесены к археям, а в 2000 году группа ученых действительно обнаружила бактерию, которая содержала белок родопсин, так что эти белки есть не только у архей. Все области жизни теперь могут претендовать на наличие собственного комплекса ретиналь + опсин.)

Причина, по которой Halobacterium считались принадлежащими бактериям, заключалась в том, что революция, потрясшая древо жизни, произошла только в 1977 году. Эта революция заменила две области на таксономическом дереве пересмотром трех ветвей. Карл Везе, в то время ученый с кафедры микробиологии Иллинойского университета в Урбана-Шампейне, понял, что уникальные организмы, которые он изучал, метаногены, не принадлежали к бактериям. В течение многих лет Везе пытался классифицировать бактерии по последовательности их рибосомальной РНК, а не по физическим признакам. Когда коллега в коридоре обсуждал микробы, которые он изучал, Везе решил секвенировать эти организмы, которые пришли прямо из коровьего кишечника и коровьего навоза. Везе сразу же понял, что их последовательности не похожи ни на какие другие бактерии, которые он изучал, а он изучал их довольно много. Хотя затем он предложил новую область жизни, архею, в 1977 году его открытие было встречено со скепсисом. Эта история о Везе и последующем принятии его идеи рассказывается во многих других источниках. Достаточно сказать, что когда Клаус Шультен услышал о бактериородопсине в середине 1970-х годов, у всех сложилось впечатление, что он обитается в бактериях. До 1990-х годов идея Уэза не получила широкого распространения, и даже сегодня некоторые ученые не принимают три сферы жизни: бактерии, эукариоты и археи.

Кристаллическая пурпурная мембрана-система, которую Клаус Шультен изучал в конце 1990-х годов.
Кристаллическая пурпурная мембрана-система, которую Клаус Шультен изучал в конце 1990-х годов.

Ученые, изучавшие солелюбивую Halobacterium halobium в конце 1960-х годов, а именно усилиями под руководством Вальтера Штеккениуса, поняли из лабораторных экспериментов, что клеточная мембрана этого организма может быть разбита на фрагменты, и что изучение фрагментов будет легче, чем изучение целой мембраны. Они обнаружили, что фрагменты естественным образом разделяются на функциональные участки в зависимости от содержания белка. Самый интригующий фрагмент был фиолетовым и получил название “пурпурная мембрана”. Это было убедительным для ученых по многим причинам. Во-первых, белки пурпурной мембраны расположены в правильном порядке. Физики твердого тела назвали бы объекты, имеющие повторяющиеся идентичные единицы, кристаллическими. Действительно, Штеккениус обнаружил, что пурпурная мембрана имеет вид двумерной гексагональной кристаллической решетки. Во-вторых, в пурпурной мембране существует только один тип белка. Такая базовая система всегда находится на радаре ученых, поскольку простые системы позволяют им охарактеризовать процессы, иначе недостижимые в более сложных формах жизни, которые подвергаются тем же процессам. Таким образом, за годы накопилось огромное количество данных о пурпурной мембране, которая стала золотым дном для ученых из разных областей. И, наконец, единственный белок в пурпурной мембране – бактериородопсин. Опять же, что делает сенсорный белок в бактерии?

Вальтер Штеккениус написал в 1976 году статью в Scientific American, в которой подробно описал открытие пурпурной мембраны и бактериородопсина. Хотя он не уверен в точной причине, по которой его группа решила посмотреть, есть ли у этого галофила родопсиноподобный белок, он указывает на две возможные причины. Во-первых, другой член группы ранее изучал мембраны фоторецепторов в глазу, и вся группа Штеккениуса была осведомлена об этом предыдущем исследовании. И, во-вторых, Штеккениус заметил нечто уникальное в ходе своих многочисленных исследований; клетки в растворе меняли направление миграции при уменьшении интенсивности красного света. Используя установленную процедуру изучения родопсина, член группы Дитер Эстерхельт действительно нашел ретиналь, и они назвали фоторецептор бактериородопсином. Результат был опубликован в 1971 году. Затем Штеккениус описывает в “Scientific American”, что ему и Эстерхельту пришлось проделать, чтобы узнать, что бактериородопсин функционирует как протонный насос. Итак, тайна была раскрыта. Бактериородопсин создавал электрохимический градиент между внутренним и внешним пространством клетки. Затем Штеккениус доказал, что этот протонный градиент используется для синтеза АТФ.

Кажется очевидным, почему открытие бактериородопсина в пурпурной мембране заинтриговало Клауса Шультена в 1970-х годах. Это был примитивный организм, бактерия – по крайней мере, так представлялось в то время, – обладающая сенсорным белком. Тот факт, что она была более примитивной, чем человеческий глаз, означал, что это была простая система для моделирования; как было сказано выше, ученые любят простые, модельные системы. Но, возможно, самым интригующим для Шультена было бы то, что бактериородопсин был центральным в производстве АТФ. В конце концов, Шультен чувствовал, что одно из его призваний в жизни состояло в понимании работы АТФ. Он уже знал, что в процессе фотосинтеза энергия света преобразуется сначала в перенос электронов, а затем в перенос протонов. Протонный перенос в фотосинтезе использовался для образования АТФ, так же как протонный перенос в бактериородопсине приводил к образованию АТФ в галофиле. Таким образом, три мембранные системы: родопсин, бактериородопсин и фотосинтетические белки – все это занимало Клауса Шультена в 1970-х годах. Он бы с удовольствием изучал их все дальше, но ни для одного из них не существовало структуры с высоким разрешением. И не похоже было, что хоть одна из них будет определена в ближайшее время. Например, в обзорной статье 1977 года о пурпурной мембране Ричард Хендерсон сетует на оставшиеся без ответа вопросы, которые просто нуждаются в структуре с высоким разрешением

Очевидно, что ответы на эти вопросы будут получены из знания структуры ретинально-белкового комплекса и последовательности конформационных изменений, которые следуют за поглощением света. Эти изменения в конформации, по-видимому, будут включать изменения в положении атомов в ретинале. Однако детали, необходимые для того, чтобы увидеть отдельные атомы, вряд ли можно получить с помощью дифракционных методов.

Дифракционный метод, о котором он говорит, – это рентгеновская дифракция или рентгеновская кристаллография, в то время единственный известный способ получения структур высокого разрешения. Эта цитата дает некоторое представление о господствовавших в то время, в 1970-х годах, идеях об изучении мембранных белков. Но все это должно было измениться в начале 1980-х, и Клаус Шультен получит место в первом ряду. И это будет иметь долгосрочные последствия для его будущего.

Бравые в Баварии

Поговорим о том, как хорошо быть в нужном месте в нужное время. Для молодого ученого, который был очарован фотосинтезом, но понял, что ничего не может сделать без структуры, Мюнхен в 1980-х годах не мог быть лучшим выбором. Там, в Баварии, Клаус Шультен получил постоянную должность в Мюнхенском техническом университете в 1980 году; и, будучи профессором, он познакомился с Хартмутом Михелем, который работал в соседнем городе в Институте биохимии Макса Планка. Михель шел против всех устоев и пытался сделать невозможное: кристаллизовать мембранный белок. И, вероятно к восторгу Шультена, Михель пытался совершить свой невероятный подвиг на мембранном белке, центральном для фотосинтеза, реакционном центре.

Типичное поперечное сечение липидного бислоя.
Типичное поперечное сечение липидного бислоя.

С 1950-х годов ученые использовали рентгеновскую дифракцию для определения структур белков с высоким разрешением; необходимым условием для этого метода было формирование белка в кристалл, так что миллиарды белков выращивались вместе, чтобы сформировать упорядоченный массив. Но создание белковых кристаллов практиковалось только для белков, которые обычно живут в цитозольной жидкости клетки, то есть в водной среде. Когда Хартмут Михель начал свои поиски кристаллизации мембранного белка в 1977 году, учебники того времени утверждали, что невозможно сделать кристалл из мембранного белка. Это связано со свойствами поверхности белков. В основном мембрана состоит из липидного бислоя. Липиды похожи на воздушные шарики со свисающими нитками. Головки воздушных шаров любят воду и подвергаются воздействию водянистой внутренней и внешней среды клетки. Но внутри мембраны, где находятся длинные хвосты, находится гидрофобная среда. Таким образом, большая часть поверхности мембранного белка живет в гидрофобной среде хвостов, и в результате поверхность мембранного белка обычно неполярна. Но цитозольный белок обычно имеет поверхность, которая любит воду, и он может быть либо заряженным, либо полярным. В результате таких электрически полярных поверхностных пятен цитозольные белки на самом деле очень сильно взаимодействуют друг с другом, поэтому они гораздо чаще образуют кристаллы, чем мембранные белки.

Но что-то должно было убедить Хартмута Михеля, что он действительно может делать кристаллы из мембранного белка. Как отмечалось выше, Дитер Эстерхельт был одним из ученых, открывших бактериородопсин и то, что он действует как протонный насос. В 1974 году Хартмут Михель присоединился к группе Эстерхельта и начал собственные исследования бактериородопсина. В июне 1977 года, работая над проектом, Михель заметил, что делипидированный бактериородопсин в морозильной камере образует стеклообразные агрегаты. Это навело его на мысль, что действительно можно было бы сделать кристаллы из мембранного белка. Дитер Эстерхельт был абсолютно за это рискованное предприятие. Соответственно, Михель затем попробовал различные типы мембранных белков в своих поисках. К 1981 году он сделал превосходные трехмерные кристаллы из белка реакционного центра. (Изготовление кристаллов – это одно, а изготовление кристаллов, пригодных для рентгеновской дифракции, – совсем другое.) Он объединил усилия с экспертом по рентгеновской дифракции в Институте биохимии Макса Планка Иоганном Дейзенхофером, и к 1984 году они опубликовали свою первую структуру. В 1988 году они были удостоены Нобелевской премии за свою работу. Более подробный отчет об усилиях Хартмута Михеля по кристаллизации мембранного белка приводится в его автобиографии на сайте Нобелевской премии.

Так что же на самом деле сделал Хартмут Михель, чтобы сформировать кристаллы? Ответ прост: использование моющих средств. Это липиды, но с короткими хвостами вместо длинных. Он сделал кристаллы из мембранного белка с помощью мыла. Его выбор белка, центра фотосинтетической реакции, также был очень научно обоснованным. Он кристаллизовал белок, полученный из фиолетовой бактерии, поскольку растения – не единственные живые организмы, практикующие фотосинтез. Реакционный центр является основным белком в процессе фотосинтеза; там захватывается световая энергия или вспомогательные белки направляют к ней свое возбуждение. Затем эта энергия возбуждения преобразуется в перенос электронов. Шультен, который был свидетелем многих работ Михеля и Дейзенхофера, говорит, что этой паре повезло, потому что реакционные центры кристалла функционировали точно так же, как и в мембране. А именно, при освещении кристаллов реакционного центра они вели себя оптически точно так же, как и в мембране; они были более или менее полностью функциональны. Настойчивость Михеля и Дейзенхофера не только воспламенила своим открытием область анализа мембранных белков, но и явилась явным прорывом для многих исследователей фотосинтеза. На самом деле, воздействие на Клауса Шультена было поистине монументальным, и даже он признает, что, возможно, не ввязался бы в это предприятие, если бы успел как следует подумать.

Безобразные вычисления

“По странной причине я сперва приступил к своей второй цели, потому что мне нужно было куда-то поместить белок. И почему-то мне казалось более естественным, что я сначала сделаю мембранную часть.” К 1987 году Шультен понял, что структура первого мембранного белка, получение которой произошло прямо у него под носом, откроет ему новые и неизведанные перспективы как теоретическому биофизику. Он был в восторге, но в то же время смущен. В конце 1980-х годов самые крупные белковые симуляции составляли около 3000 атомов. Реакционный центр составлял примерно 10 000 единиц, что на целый порядок больше, чем то, с чем тогдашние компьютеры могли (едва ли) справиться. Реакционный центр жил в мембране, и чтобы правильно смоделировать эту компаньонную систему, Шультену нужно было внедрить белок в мембрану. Причем встраивать надо в большой кусок мембраны, так как всего несколько липидов не дадут реалистичной картины.

Биология - это детали.
Биология – это детали.

В тот момент Шультен понял, что для достижения своих новых целей ему понадобится суперкомпьютер. Но ему придется посвятить этому делу долгие годы, исключив из очереди все остальное. В то время существование суперкомпьютеров, доступных обычным ученым-исследователям (в отличие от работников оборонной промышленности), находилось только в зачаточном состоянии. Только в 1985 году Национальный научный фонд зафрахтовал программу создания национальных суперкомпьютерных центров для непосредственного использования академическими исследователями. Таким образом, хотя Шультен знал о суперкомпьютерах, в 1987 году они не были вхожи в арсенале среднего ученого.

Хотя в 1987 году доступ к суперкомпьютерам, возможно, был редкостью и существовал лишь на задворках сознания Шультена, он, тем не менее, остро осознавал вычислительную технику как инструмент. Инструмент, который он не мог полностью использовать. Во время своего пребывания в Мюнхене в 1980-х годах Шультен все больше и больше осознавал, что для осуществления своей мечты об изучении биологии через физику и математику (а не в экспериментальной лаборатории) ему нужно будет учитывать детали, присущие биологии; и для этого ему придется направить свои исследования в сторону вычислительной биологии. Но он не думал, что его собственное мастерство в вычислениях было первоклассным – другими словами, он не жил и не дышал компьютерами, как это иногда делают пылкие энтузиасты.

“Я умолял реализовать вычисления на компьютере других людей, которые больше в этом понимали, но они были слишком влюблены в теоретическую физику и не хотели заниматься чем-то столь неэлегантным, как вычисления”. По большей части он обращался с этой просьбой к своим студентам. Все они были с физического факультета, так как в то время в Германии было почти неслыханно, чтобы студент инженерного или химического факультета пересекал поля и работал с Шультеном по физике. Чтобы быть ясным, Шультен и его студенты-физики действительно использовали вычисления в своей работе, но они нигде не были на том уровне, который используется сегодня, и то, что они делали, определенно не было бы классифицировано как вычислительная биология. Вместо этого его студенты-физики хотели стать великими физиками-теоретиками и считали вычислительную технику плебейской. “Все мои ученики… хотели стать следующим Эйнштейном. Они не носили носки с сандалиями, потому что Эйнштейн не носил носки”. Тем не менее, Шультен постоянно говорил всем в своей группе: пробуйте реализовать себя в вычислениях. Но его ученики сопротивлялись, утверждая, что это было вопиющей безвкусицей.

До сих пор Шультен не может понять, почему все его студенты-теоретики и, если уж на то пошло, другие профессора на его кафедре так негативно относились к вычислительной технике. “Я не понимаю этого, потому что для того, чтобы действительно хорошо программировать, нужно быть очень умным, а это всего лишь математика. Таким образом, какую бы великую математику вы ни умели делать, вы часто можете выразить ее в компьютерном алгоритме”. Но смысл был ясен – Шультену придется выполнять неэлегантные задачи вычислений самому, не имея возможности полагаться на молодые поколения, которые имели естественную близость к этой растущей технологии. С решением реакционного центра Шультен действительно отчаянно стремился приступить к работе над двумя своими большими целями: моделированием большого белка и обширного мембранного участка. И он пытался понять, как сделать это без суперкомпьютера и без природной доблести, которой, как он полагал, у него не было. И вот однажды в Мюнхене в 1987 году, посреди рабочего дня в кабинет Шультена вошел Гельмут Грубмюллер.

Рискуя всем

Гельмут Грубмюллер был студентом-физиком Мюнхенского технического университета и увлекался компьютерами. Настолько увлекся, что во втором или третьем семестре, примерно в 1986 году, построил свой собственный маленький параллельный компьютер. Конечно, в то время он не называл это “параллельным компьютером”, просто многопроцессорной машиной. У него был свой собственный компьютер еще до того, как они стали вездесущими. Он постоянно подвергался разборам и модификациям. Чтобы построить свою собственную машину, самоучка припаял свои собственные электронные схемы и купленные напрямую у производителей чипы. Он даже разговаривал с техническими представителями многих компаний, чтобы узнать необходимые ему эзотерические подробности.

“И это очень быстро взорвало мой бюджет, представлявший из себя что-то около тысячи долларов”, – рассказывает Грубмюллер про свою маленькую многопроцессорную машину. Но потом он разработал совершенно безумный план. Как и Шультен, он хотел “большего”, но его не устраивал маленький параллельный компьютер, который он построил сам. Поэтому он решил обратиться ко всем своим профессорам и предложить следующее: он построит им большую многопроцессорную машину, и они заплатят за оборудование. “Была такая вот наивная идея. Я не хотел, чтобы мне за это платили, я просто хотел, чтобы оборудование было оплачено, чтобы я мог осуществить свою мечту – построить более крупный и быстрый компьютер.” – скромно объясняет Гельмут. Все профессора, к которым он обращался, отвергали его план наотрез.

Однако Клаус Шультен помнит тот день, когда Грубмюллер вошел в его кабинет в физическом корпусе Мюнхенского технического университета. Молодой человек принес свой маленький самодельный компьютер в сумке и показал его Шультену. Он немного объяснил, на что способно устройство, и продемонстрировал некоторые расчеты. Как вспоминает Шультен: “Я чуть не упал со стула!” Шультен немедленно включил Грубмюллера в свою группу.

Клаус Шультен, Гельмут Грубмюллер, and Гельмут Геллер и одна из плат самодельного суперкомпьютера,1988.
Клаус Шультен, Гельмут Грубмюллер, and Гельмут Геллер и одна из плат самодельного суперкомпьютера,1988.

Примерно в то же время, когда Грубмюллер пытался построить более мощный и быстрый компьютер, другой студент одного из курсов Шультена выступил с докладом о фракталах. Но вместо обычной рутины, монотонных рассказов и уравнений, этот студент принес компьютер, который он перемонтировал, чтобы сделать его способным обработать фильм, невероятно сложным, для примитивной машины, которая едва могла отображать статическое изображение. Во время презентации студент открыл заднюю часть компьютера и объяснил, какие модификации пришлось внести, чтобы сделать возможным показ фильма. Шультен был впечатлен и попросил этого студента, Гельмута Геллера, присоединиться к его группе. Наконец, у Шультена были ученики, которые интересовались вычислениями. Звезды сошлись в нужное время: две увлекательные научные цели, два студента, которые любили компьютеры, и перспектива быстрого вычислительного устройства. Возможно, это отчасти объясняет, почему следующий шаг Шультена оказался самым рискованным в его карьере. Он передал все свои грантовые деньги двум Гельмутам, чтобы они построили ему параллельный суперкомпьютер.

Невозможно в полной мере передать, почему Шультен пошел на риск с высокими ставками. Хотя оба студента были более чем компетентны – Шультен знал это из первых рук, – то, что они предлагали, никогда не делалось раньше. Суперкомпьютеры в то время стоили миллионы долларов. Грант Шультена составил 100 000 немецких марок, около 55 000 долларов США. Если машина каким-то образом выйдет из строя, Шультену не о чем будет докладывать грантовым агентствам и не о чем будет публиковать результаты. Это может поставить под угрозу всю его карьеру. Но он объясняет, что два молодых студента думали категориями решений, а не проблем. Любой, кто знает Клауса Шультена, понимает, что он высоко ценит молодые таланты и инициативу. “Я верю в людей. И когда я верю в людей, я предоставляю им свободу”. Студенты в конечном итоге преуспели в создании рабочей машины после больших усилий и творческого решения проблем.

Подойдет ли компьютер для мембраны?

Шультен и его ученики поняли, что им может потребоваться на запуск компьютера около трех лет, но при этом не было возможности подтвердить, подходит ли компьютер для описания мембран. Опять же, это был еще один большой риск в мире Шультена. Что, если он вложит все это время, усилия и деньги в один-единственный расчет, а результаты окажутся ерундой?

По существу, Шультен знал, что, поскольку на горизонте появляется все больше структур мембранных белков, в конце концов ему пришлось бы описать систему белков, встроенных в мембрану. Но он решил посвятить свой самодельный параллельный компьютер тому, чтобы просто рассмотреть большой кусок мембраны. До этого времени моделировались только небольшие участки мембран, то есть всего липидов.

Причина, по которой Шультену понадобился большой образец мембраны, заключается в проблеме соотношения площади поверхности и объема. Представьте себе кусок мембраны в виде коробки, и если коробка мала, то в системе преобладает поверхность. Чем больше система, тем больше объем относительно площади поверхности. Поэтому, взяв коробку достаточно большого размера, необходимо было получить соотношение объема и поверхности как раз для сравнения с экспериментом. Шультен знал о работе других ученых по моделированию липидов, но на самом деле хотел убедиться, что компьютер может хорошо описать эту систему. Он боялся, что журналы, которые он читал о мембранном моделировании, преувеличили свои претензии на успех. Трудно передать, с каким количеством неизвестных столкнулся Шультен во всем этом проекте.

200-липидный участок мембраны плюс вода, система, смоделированная с помощью самодельного параллельного суперкомпьютера.
200-липидный участок мембраны плюс вода, система, смоделированная с помощью самодельного параллельного суперкомпьютера.

Тип расчета, который Шультен и его ученики решили провести на большом участке мембраны, называется молекулярной динамикой. Этот тип моделирования отображает поведение атомов в системе с течением времени – он, по сути, дает динамическое представление о таких системах, как белки или мембраны. Таким образом, расчеты должны охватывать развитие событий в определенный период времени. Еще в 1990 году, когда Шультен управлял этой мембранной системой, он смог охватить только период времени в 263 пикосекунды. Это почти шутка по сегодняшним стандартам (где по умолчанию воспроизводятся сотни наносекунд, а некоторые исследователи могут даже добраться до миллисекунды для небольших систем). Но даже имея в своем распоряжении мощный компьютер, это было самое долгое время, которое он мог себе позволить. В итоге они получили 200 липидов, по 100 в каждом слое, и в общей сложности в системе было более 23 000 атомов, включая воду.

Шультен полностью признает, что он и его ученики не творили никаких чудес. Они использовали обычную молекулярную динамику (и сопутствующие ей силовые поля) – и не претендовали на изобретение чего-то нового. Из экспериментов по спектроскопии ядерного магнитного резонанса они знали ориентацию связей, образующих липофильную цепь липидов, которые можно скормить молекулярной динамике. После трех долгих лет работы на самодельном компьютере они наконец получили результаты. К большому удовольствию Шультена, симуляции совпали с экспериментом!

Это означало, что компьютер хорошо описал мембрану, на самом деле очень хорошо. Хотя это, возможно, и не было революционным открытием в мире науки, но это было открытием для Шультена. Он увидел, что компьютер действительно силен в описании неупорядоченного материала, такого как мембрана. Теперь сомнения Шультена рассеялись: компьютер действительно мог справиться с чем-то важным – с мембраной.

Однако торжество Шультена по поводу компьютерного успеха было недолгим. Когда он отправил свою статью о расчете большой мембраны в Journal of Chemical Physics для публикации, она была отклонена в течение недели. С тех пор Шультен долгие годы отказывался отправлять что-либо в этот журнал. Зато в другом журнале он быстро опубликовал эту работу, и она и по сей день является одной из самых хорошо цитируемых статей в его карьере.

 

Источник

, , ,

Читайте также

Меню