Фолдинг белка

Классический пример — это структура ДНК, знаменитая двойная спираль. Ее точная модель была построена Уотсоном и Криком. Как только они взглянули на эту молекулу, они увидели, что она красивая. Это очень важно. Большинство биологических молекул действительно красивы. Но главное, что они тут же поняли, как эта молекула выполняет свою биологическую функцию, а именно является носителем генетического материала, который может передаваться поколениям. Потому что две цепочки ДНК расходятся, каждая имеет в себе полную информацию для построения недостающей цепочки, и, когда вы это сделаете, у вас появится две идентичные молекулы. Если в ходе построения недостающей информации произошла какая-то ошибка, у вас возникла мутация, генетическая информация изменилась в поколении. И это замечательно соотносится с дарвиновскими идеями об изменчивости. Это классический случай, когда, глядя на структуру, на форму молекулы, невозможно было не понять, как она работает.

В случае ДНК то, как молекулы приобретают свою форму, относительно понятно. Но есть огромный класс важных биологических молекул — это молекулы белка. Белки и кодируются ДНК. Белки — это рабочие пчелы. ДНК — это некая библия, где записана генетическая информация того или иного организма. А выражается эта информация в виде белков, кодируемых ДНК. Есть длинная последовательность нуклеотидов — это буквы ДНК, она на какой-то стадии переводится в клетке в линейную последовательность аминокислот, даже сам процесс называется трансляцией. Есть специальный код для перехода из языка ДНК на язык белков. Белки состоят из 20 отдельных букв — они называются аминокислоты. И каждый белок — это длинная последовательность этих аминокислот, которая кодируется ДНК.

Последовательность белка недостаточна для того, чтобы определить его функцию. Чтобы белок заработал, он должен свернуться, найти в трехмерном пространстве некоторую специальную форму или структуру, которая обеспечит его биологическую функцию.

Белки знают, как это делать, потому что белок с определенной последовательностью в определенных биологически релевантных условиях всегда свернется как надо. То есть они знают, как им свернуться, а мы — нет. И это одна из основных проблем современной биологии. Проблема биологии заключается не в победе над раком, не в стволовых клетках и уж точно не в бессмертии. Фундаментальная проблема, которую изучают биологи и которую нужно действительно разрешить, — это код. С его помощью как белки, так и линейные белковые последовательности способны интерпретировать свою последовательность и эти буквы, с тем чтобы свернуться в определенную трехмерную структуру, которая и обеспечивает функцию. И они знают, как это делают. Но мы не знаем, поэтому вынуждены заниматься структурной биологией. В это вкладываются огромные деньги, нужны очень сложные приборы, например синхротроны, для того чтобы разрешать структуры белков, чтобы увидеть, какую форму принимает молекула.

Современная наука геномика, заключающаяся в том, что с большей эффективностью и скоростью определяются последовательности ДНК, геномов разных организмов, дает нам возможность прочитать, какие белки кодируют тот или другой организм. В частности, расшифровка генома человека позволила узнать все те белки, которые составляют нас с вами. Мы знаем эти белки, но не знаем, как они работают, потому что их работа происходит не на уровне линейных последовательностей аминокислот, а на уровне сложенных определенным образом в трехмерном пространстве молекул, которые потом начинают взаимодействовать друг с другом.

Еще в 1960-х годах человек по имени Левенталь сформулировал следующий парадокс. Если вы рассмотрите белок относительно небольшой длины, вы увидите, что несколько сотен аминокислот соединены друг с другом как на шарнирах. Вокруг каждого из этих шарниров возможно движение. И именно определенная конфигурация углов между каждыми предыдущими и последующими аминокислотами приводит к тому, что молекула сворачивается в определенную форму.

Кручение вокруг этих узлов, соединений шарниров тем быстрее, чем выше температура. Известно, с какой скоростью происходит это кручение в нормальных условиях. Предположим, что белковые молекулы находят правильную форму, пробуя все возможности, которые для них предоставляются, с тем чтобы найти правильный ответ. В таком случае для относительно небольшого белка время, которое было бы необходимо для правильной конформации, правильной формы, было бы больше, чем время существования Вселенной. Хотя в клетке они это делают за секунды. Есть то, что происходит и что крайне важно, но мы про это почти ничего не знаем.

Мы все-таки знаем про это чуть больше, чем знали раньше. Но выясняется, что никто не знает, есть ли общий ответ на эту проблему. И устраиваются соревнования. Потому что мы все-таки медленно, но верно определяем все большее и большее количество молекул методами кристаллографии — с использованием синхротронов, кристаллов белка и так далее. Это тяжелый труд. Было бы приятнее предсказывать структуры: раз белки умеют это делать, мы не глупее, можно попытаться предсказать.

С увеличением компьютерных возможностей, сравнительных методов анализа последовательностей люди пытаются предсказывать эти структуры. Каждый год проводится следующее соревнование среди ученых: они пытаются предсказать структуру белка. Все договорились о том, какой это будет белок. Параллельно с этим кто-то разрешает структуру белка методами кристаллографии. А потом все приходят вместе и смотрят, насколько удалось угадать, а ответ такой непонятный, что угадать невозможно. Мы можем в той или иной степени приблизиться, но не можем предсказать то, во что белок свернется.

Важно знать, как сворачиваются белки, потому что они образуют молекулы определенных форм, поверхности, на них есть некое распределение зарядов, затем идут каскады и различные сложные системы взаимодействия между белками, и на этом построена жизнь, когда одни белки взаимодействуют с другими, потом меняют партнеров. Похоже на жизнь людей.

Возможно, задача неправильно поставлена, потому что далеко не каждая молекула белка может свернуться. Оказывается, что все молекулы белка, которые есть у нас с вами, отобраны эволюцией и они сворачиваются. Эти белковые последовательности напоминают мне борхесовские библиотеки, где есть все возможные тексты, которые только есть в природе. Далеко не все последовательности, по-видимому, сворачиваются. Эволюция отобрала те гены, которые кодируют только белки, которые могут во что-то свернуться и выполнить определенную функцию.

Белки находятся на пороге нестабильности. Разрушение структуры белка называется денатурацией. Денатурация — это переход молекулы из сформированной формы в беспорядочный клубок. Мы все существуем на грани термодинамической катастрофы. Наши белки могут почти в любой момент денатурировать, потому что ее вызывают самые разные воздействия внешней среды. Повышение температуры в ходе болезни вызывает денатурацию наших белков. Если болезнь вызвана вирусом, то денатурируют и белки вируса, и наши белки. А температура у нас повышается, потому что мы пытаемся денатурировать белки вируса. Выясняется, что наши белки чуть более стабильны к денатурации, чем белки вируса, поэтому нам с вами плохо, но вирусу еще хуже. Потребление спирта приводит к эффектам такого же рода. И вообще почти все, что с нами происходит, отражается на наших белках, причем не самым лучшим образом — именно потому, что они находятся на грани денатурации. И для клетки это очень большая проблема — собрать белки правильным образом.

Чтобы понять, насколько важно для жизни было решить проблему правильной свертки белков и предотвратить их разворачивание или денатурацию в тех условиях, когда это не должно происходить, можно воспользоваться филогенетическим подходом, то есть посмотреть на все это в истории. Жизнь произошла из единого корня. Было такое существо по имени LUCA, являющееся общим предком для всех форм жизни, которые есть сейчас на Земле, — от человека до бактерий. Про самые биологически важные гены для жизни, про самые важные белки говорят, что они консервативны. Это означает, что они уже были. Неудивительно, что-то, что у нас есть общего со всеми остальными формами жизни, то, чем обладал наш общий предок, — это ферменты или гены, которые кодируют ферменты, необходимые для репликации нашей ДНК. Потому что для разделения клетка должна передать свою ДНК потомкам — гены, продукты, необходимые для транскрипции, чтобы наши гены работали. Гены, продукты которых необходимы для синтеза белка. Это все то, без чего современная жизнь невозможна.

Но одна из групп генов, которая является абсолютно консервативной, — это шапероны. Раньше их называли белками. Одна из групп генов, продукты которых абсолютно консервативны и являются общими в каком-то смысле для всей жизни, — это гены, кодирующие шапероны или белки теплового шока. Это специальные машины в клетке, вся функция которых состоит в том, чтобы неправильно свернутые белки сворачивать обратно. Некоторые из них работают замечательным образом. Это такая большая молекулярно-белковая бочка с отверстием внутри. И количество таких бочек в клетке резко увеличивается, когда, например, у вас повышается температура. Это означает, что у вас происходит тепловой шок. А дальше происходит вот что: все белки, структура которых чуть-чуть нарушилась и стала не такой, какая нужна, идут на починку, все загружаются внутрь этой бочки, и там они как-то проходят через нее. На это тратится энергия, а для клетки это не бесплатно. Наружу из бочки выходит белок, свернутый обратно как надо, — похоже на сказку Ершова про Ивана-дурачка.

Для клетки очень важно сделать так, чтобы белки были правильно собраны. Эта задача непростая потому, что, несмотря на то что белки знают, в какую структуру им нужно собраться, часто внешние условия этому не благоприятствуют, для этого нужна специальная машинерия. И эта машинерия очень-очень древняя. Еще на самой заре жизни было придумано молекулярное устройство, которое позволяло белкам собираться и в то же время быть на грани нестабильности.

Самое удивительное в том, что важно знать про стабильность белков или правильность и неправильность их сворачивания, потому что вещи, связанные с болезнью Альцгеймера или болезнью Крейтцфельдта — Якоба, зависят от болезни свертывания белков. Очень много болезней вызываются просто неправильной сверткой белков.

Я упомянул о том, что белки умеют сворачиваться, а ученые пока что не очень хорошо могут это предсказать. Под предсказанием предполагается, что вы с помощью компьютерного моделирования и каких-то общих принципов хотите придумать алгоритм, который позволял бы вам правильно сворачивать белки. По-видимому, это тот редкий случай, когда новые формы можно назвать научной деятельностью — такой краудсорсинг помогает решить проблему, которую ученые сами по себе решить не могут. Дело в том, что каким-то образом (мы сами не знаем почему) человеческий мозг умеет очень хорошо — по крайней мере, лучше, чем ученые, — решать задачи в духе тетриса, складывать вещи таким образом, чтобы упаковка объектов в трехмерном пространстве была наиболее плотной. А белки сворачиваются до некоторой степени таким же образом. Они пытаются создать самое маленькое пространство.

Несколько лет назад появилась компьютерная игра, а год назад — статьи в престижных научных журналах, авторами которых были странные люди — школьники или, например, американский водитель-дальнобойщик большого грузовика. Почему? Потому что была придумана программа под названием Foldit («Сложи это»). И в этой программе есть правила, которые научны, но цель программы — свернуть последовательность белка наилучшим образом.

Мы уже уходим из предсказания, когда пытаемся из первых принципов решить задачу сворачивания. Мы входим в режим игры, когда вы пытаетесь это делать по-разному. И есть некая система скоринга, которая позволяет сказать, хорошо вы это сложили или плохо. И удивительным образом выясняется, что не нужно обладать кандидатской степенью, для того чтобы сделать это правильно. Белки же тоже не обладают кандидатской степенью. Человеческий мозг может это сделать. Мы просто не можем сами себе объяснить, как мы это делаем. И сейчас проводятся соревнования по всему миру. Есть некоторое количество команд, люди делают это вместе, как я уже сказал, и там иногда очень странные люди с точки зрения их профессий, но делают они благое дело.