Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле
Шрифт:
Структуры ферментов способны удивить своим устройством любого инженера. Нередко несколько аминокислотных цепочек оказываются закручены друг вокруг друга в замысловатые спирали или образуют изгибы, что делает возможной идеально подобранную форму “активного центра”. Именно этой частью фермент захватывает свою специфическую “молекулу-мишень”. Эмиль Фишер, изучавший химический состав белков, в 1894 году предложил для объяснения работы ферментов механизм “замка и ключа”[228]. Живая клетка – это непрестанная работа множества конвейеров, где сотни ферментов расторопно и без устали производят разные полезные соединения.
В 1908 году канадский биохимик Арчибальд Макаллум ничего этого не знал. Ему было известно, что белки – это цепочки из аминокислот, но полный спектр разнообразия их структур и возможностей
Макаллум, очевидно, вдохновлялся открытием, сделанным шестью годами ранее Хоффмайстером и Фишером. Подчеркивая, что белки образованы аминокислотами, Макаллум утверждал, что этот факт может объяснить возникновение жизни на Земле: “Если мы сумеем объяснить, как белки могли сформироваться без участия живой материи, мы будем в состоянии объяснить и образование самой живой материи”.
Макаллум рассуждал о наиболее просто устроенных белках – точнее пептидах, представляющих собой две соединенные вместе аминокислоты. Эти так называемые дипептиды широко распространены в живых организмах, причем – при всей своей простоте – довольно разнообразны. Так, к дипептидам относятся и подсластитель аспартам, и обнаруженный в мясе карнозин. Макаллум считал, что такие простые молекулы образуются легче, чем белки вроде инсулина, но это не мешает им выполнять различные жизненно важные функции. И далее ученый делает потрясающее предположение: “Не исключено, что состоящие всего лишь из нескольких молекул белка ультрамикроскопические частицы могут быть способны к независимой жизни и размножению путем деления после достижения ими определенного размера”. Однако это предположение не вызвало большого энтузиазма и идея о белках как о первой жизненной форме пребывала в забвении до 1950-х годов, когда у нее наконец появился ярый защитник.
К тому времени, когда Миллер экспериментально доказал возможность существования аминокислот на юной Земле, Сидни Уолтер Фокс уже был состоявшимся биохимиком. Он родился в Лос-Анджелесе в 1912 году и внешне смахивал на Мэтта Деймона – только коренастого и в очках. Фокс женился на русской женщине по имени Рая, и у них родилось трое детей, причем все они стали учеными[230]. В 1955 году Фокс основал в Университете Флориды свою лабораторию.
Вдохновленный опытами Миллера, Фокс хотел сделать следующий шаг в том же направлении: получить простые белки из тех самых аминокислот, которые синтезировал Миллер. При соединении двух аминокислот выделяется одна молекула воды, поскольку две исходные молекулы теряют два атома водорода и один атом кислорода. Это навело Фокса на мысль, что заставить аминокислоты объединиться можно за счет удаления воды. Иными словами – простой нагрев[231].
Сперва все пошло совсем не по плану и Фокс получил только черную смолистую грязь. Но потом он вспомнил, что две аминокислоты в белках встречаются особенно часто: это аспарагиновая кислота и глютаминовая кислота. В итоге в 1958 году его команда провела серию захватывающих экспериментов[232]. Ученые выяснили, что аспарагиновая кислота соединяется с любой другой аминокислотой даже при мягком нагревании. Это заставило Фокса задаться вопросом – а нельзя ли соединить ее со всеми другими аминокислотами сразу? “Если это возможно, – пишет он, – мы сумеем получить нечто вроде белка настолько простым путем, что его спонтанное образование на древней Земле удастся представить без малейшего затруднения”.
В то время в распоряжении Фокса были два аспиранта, Аллен Веготски и Каору Харада, а также лаборантка Донна Кейт. Эксперимент с целью соединить воедино все двадцать аминокислот изначально сочли безнадежным и потому поручили его Кейт: время аспирантов не хотелось тратить попусту. Продержав смесь аминокислот с большим избытком аспарагиновой и глутаминовой кислот несколько часов при температуре 170 °C, Кейт получила крошечные гранулы белого цвета.
Проанализировать результат должен был Харада. Для этого предстояло
разрушить полученное соединение на исходные образующие его аминокислоты и выяснить, сколько их и какие они. К всеобщему удивлению, оказалось, что это соединение содержало не то 15, не то 16 различных аминокислот! Следующие эксперименты дали тот же результат[233].Это означало, что полученные Кейт гранулы состояли из соединившихся аминокислот. В отличие от обычных белков, это соединение не имело в своей основе аккуратную цепочку – оно было скорее случайным по структуре и порядку аминокислот. Фокс дал им название “протеиноиды”, поскольку они, хотя и не являются настоящими белками, тоже состоят исключительно из аминокислот – только беспорядочно слипшихся. Результаты экспериментов были опубликованы в 1958 году за авторством всего двоих – Фокса и Харада[234]. В маленьком примечании также упоминалась “техническая помощь миссис Донны Кейт”.
В следующем году Фокс и его команда добились еще более поразительного успеха. Исследователи получили очень маленькие шарики протеиноидов размером менее одной тысячной сантиметра[235]. Эти шарики, которые напоминали простые клетки, позднее стали называть “сферулы” или “микросферы”, а “добыла” их в ходе эксперимента новая лаборантка Джин Кендрик. Задуманный опыт снова казался слишком уж простым: кипячение протеиноидов в растворе соли в течение 1 минуты. За один раз этот эксперимент позволял получить свыше миллиона микросфер, которые затем можно было хранить неделями.
Фоксу сразу пришло на ум сравнение с коацерватами, которые, по предположению Опарина, стали основой первых примитивных клеток (см. главу 2). Вскоре Фокс заключил, что протеиноидные микросферы являются лучшими кандидатами на звание первой клетки, чем любые коацерваты. К тому же их очень легко получить: для этого достаточно просто синтезировать протеиноиды при нагреве аминокислот, поместить их в горячую воду и потом высушить. В 1960 году Фокс озвучил мысль, развитию которой он посвятил весь остаток своей жизни, – мысль о том, что протеиноидные микросферы представляют собой очень хороший ответ на вопрос “Как началась жизнь?”[236]
Фокс убедился в превосходстве своих протеиноидных микросфер при встрече с Опариным в 1969 году в Москве[237]. Фокс тогда попросил показать ему образцы коацерватов, но демонстрация совершенно не задалась. Прямо в присутствии Опарина его лаборантка много раз пыталась получить их, но – безуспешно. “Было очень заметно, что и она, и Опарин очень разочарованы и что им стыдно”.
Поначалу Фокс был осторожен и избегал громких высказываний. В 1963 году на конференции в Уэйкулле он был заметно сдержан: “Я считаю, что естественно предположить (и говоря об этом, я вовсе не обязательно отстаиваю противоположную точку зрения), что на основании того, что первые события в истории становления клетки определяли ДНК или РНК либо только РНК, мы не обязаны считать, будто развитие представленной РНК и ДНК преджизни происходило без участия белка. Сейчас я считаю подобное предположение излишним и, возможно, психологически сдерживающим”[238]. Встречались у Фокса и еще более осторожные высказывания.
Однако следующие двадцать лет сделали Фокса куда решительнее. Отчасти это было связано с нападками на его идеи – ведь отмалчиваться ученый не мог. Например, Алан Шварц, аспирант Фокса в 1960–1965 годах, вспоминал о “яростных атаках” со стороны других химиков после лекции в Университете Флориды. Один из них, Де Лос Де Тар, заявил нечто вроде “только Бог может создавать белок”.
За всей этой критикой явно стояли эмоции, и Фоксу приходилось отвечать столь же энергично, хотя и используя более взвешенные аргументы. В Уэйкулле на него обрушился с критикой Карл Саган, назвавший его идеи “неправдоподобными с точки зрения геологии”. Претензии заключались в том, что для получения микросфер исходный материал должен подвергнуться большим перепадам температуры, а затем быть смочен и высушен[239]. По словам Сагана, “такая последовательность изменений условий с легкостью доступна в лаборатории, но вот насколько часто она наблюдается в природе – это вопрос”. Критические замечания подобного рода приходилось выслушивать и химикам вроде Поннамперума: да, ваш эксперимент хорош, но может ли такое происходить в реальности?