Знание - сила, 2004 № 05 (923)

Исследование протеома — крупный международный научный проект. В 2001 году для работы над ним была создана международная Организация протеома человека (Human Proteome Organization / HUPO). Особое внимание участников проекта вызывают белковые молекулы крови, печени и головного мозга.

В эти исследования включается и большой бизнес — прежде всего, крупные фармацевтические компании. Создаются многочисленные фирмы, занятые изучением человеческих белков. Их руководители спешат выступить с громкими заявлениями. Так, американская фирма «Myriad Proteomics» уже объявила, что до конца нынешнего 2004 года завершит анализ всего протеома человека.

Из двадцати аминокислот составлены миллионы различных протеинов. Слева: трипсин - один из важнейших пищеварительных ферментов. Справа: коллаген - основной строительный элемент нашего тела

Независимые эксперты относятся к таким заявлениям скептически. Тому есть ряд причин.

* Протеом — величина не постоянная. Это геном был «книгой, содержавшей около трех миллиардов букв». И все: буквы стояли на своих — отведенных им природой — местах. Здесь же — в протеоме — все непрестанно меняется. Если и сравнивать протеом с книгой, то с книгой, которая пишется у вас на глазах. Попробуйте подсчитать в ней количество знаков! Автор то дописывает что-то, то хлестко черкает.

Или другое сравнение: анализ протеома сродни фотографическому процессу. Щелкая кнопкой фотоаппарата, мы пытаемся запечатлеть жизнь, а удерживаем лишь отдельные мгновения. Вспышка, кадр, фигуры застыли и пересчитаны, а поднимите глаза от карточки — мир неузнаваемо изменился. Одни персонажи ушли с глаз долой; другие, незнакомые, появились, и лишь фон действия — остовы зданий — остался тот же, как никуда не исчез и остов человеческого организма — фон, на котором мы наблюдаем стремительную активность белков.

Почти в каждой клетке число белковых молекул все время меняется. Синтезируются новые молекулы и распадаются существовавшие. Состав белков зависит от пола и возраста человека, от его кулинарных пристрастий, от времени суток и многих других причин. В клетках различных органов тела свой состав белков: в головном мозге он один, в поджелудочной железе — другой, в дельтовидной мышце — третий. Протеом раковой клетки разительно отличается от протеома здоровой клетки.

Это геном был один на всех, как статья «Человек» в энциклопедии относится сразу ко всем людям. Протеомы же, они совершенно индивидуальные — особые для каждого человека, для любой части тела. Вот и судите, легко ли составить такую опись? Выполним ли этот проект? Титаническая задача! Все равно, что пересчитывать брызги пены в мчащейся реке.

* До сих пор неизвестно, сколько белковых молекул имеется в человеческом организме вообще и в клетках тела, в частности. Так, банк данных «Human Protein Index», созданный калифорнийской фирмой «Large Scale Proteomics» — ведущей фирмой в области исследования протеома, — располагает сведениями о 115 тысячах белков, содержащихся в образцах 157 тканей. Банк данных SWISS PROT содержит сведения о 8500 хорошо исследованных белков.

Еще лет пять назад некоторые специалисты заявляли, что составить атлас человеческих белков сравнительно легко. «Сколько их там? Тысяч тридцать-сорок?» Теперь мы знаем, что по инструкциям, хранящимся в 40 тысячах наших генов, синтезируется от полумиллиона до миллиона белковых молекул. Многообразие белков явно недооценивалось. Их в десятки раз больше, чем генов. Это — первая неожиданность, с которой столкнулись исследователи протеома.

Биологические основы этого многообразия различны. Долгое время считалось, что схема изготовления белков проста: один ген — один вид молекул РНК; один вид молекул РНК — один сорт белков. Догадка оказалась ошибочной. Более половины генов человека «отвечают за выпуск» сразу нескольких молекул РНК. Следовательно, в них заложена инструкция по изготовлению нескольких белков. Вот и сюрприз номер два.

* На этом сюрпризы не кончились. Каждая клетка — как удельный князек — самовольно распоряжается имуществом, оказавшимся на ее территории, изменяя белковые молекулы до неузнаваемости: там красуется довесок из углеводорода, там — лишний сахар, там — украшеньице из фосфора. Так появляются все новые разновидности белков. Иной раз подумаешь, что протеины, как люди: каждый отличается «лица необщим выраженьем».

Орудия, которые мы выбираем

Итак, исследование протеинов — задача не из легких и не из дешевых.

Анализ структуры белка обходится сейчас в 50 — 200 тысяч долларов. Не случайно семь ведущих американских лабораторий объединились в организацию «Protein Structure Initiative», задавшись целью снизить стоимость анализа до 20 тысяч долларов и исследовать в ближайшие десять лет структуру 10 тысяч новых белковых молекул.

Антитела - это белки, защищающие организм от бактерий. По сваей форме они напоминают латинскую букву Y

Попутно биохимики проверяют, как ведет себя эта молекула, — действует ли она в одиночку или вместе с другими протеинами. Оказывается, белковые молекулы чаще всего действуют сообща. Это тоже стало неожиданностью для ученых. Долгое время считалось, что белки выполняют свои функции поодиночке.

* В опытах, проведенных немецкой фирмой «Cellzome» и канадской фирмой «MDS Proteomics», удалось выявить в дрожжах сотни комплексов белковых молекул. В некоторые объединения входило до 80 белков. Одни из этих товариществ сохранялись долгое время; другие распадались, едва возникнув.

* Немецкий исследователь Петер Ютц подсчитал во время эксперимента, что 1548 белковых молекул дрожжей совершили свыше 2350 различных совместных действий.

* Подобный коллективизм заметно затрудняет исследование. «Структурный анализ белков нельзя автоматизировать, как автоматизировали исследование генома. Молекулы ДНК относительно неизменны и одинаковы — любую из них можно исследовать по одной и той же схеме. А вот протеины — сущие эксцентрики: ни один не похож на другой», — так прокомментировал планы коллег немецкий биолог Роберт Хубер в интервью журналу «Bild der Wissenschaft».

Очевидно, что-то изменится с внедрением метода ядерно-магнитной резонансной спектроскопии, позволяющего исследовать трехмерную структуру белковых молекул. Разработал его швейцарский биофизик Курт Вютрих, удостоенный в 2002 году Нобелевской премии по химии (см. «Знание — сила», 2003, № 2).

По отзывам специалистов, данный метод позволит в обозримом будущем составить атлас всех человеческих белков. С его помощью удается фиксировать изменения атомных ядер под действием электромагнитного излучения. Проше всего исследовать атомы водорода. Любая белковая молекула содержит сотни, а то и тысячи атомов водорода. Если удастся опознать отдельные атомы, то можно примерно представить себе структуру молекулы. Однако данный метод пригоден лишь для исследования небольших белковых молекул. Впрочем, говорит Вютрих, в ближайшие лет десять не следует и надеяться на то, что появится автомат, который по одному нажатию кнопки выдаст вам трехмерное изображение того или иного белка.

Что касается крупных белков, то некоторые исследователи, стремясь понять их структуру, прибегают даже к математическим методам — пробуют просчитать, какая из возможных форм молекулы была бы наиболее стабильна. Создав компьютерную модель, они проверяют на практике, верен ли их прогноз. Впрочем, пока не удалось создать надежную схему прогнозирования структуры белковых молекул. Одно слово — «эксцентрики»!

Зачем они нам нужны? Зачем мы изучаем протеины?

На все руки протеины