Лука Турин - Секрет аромата. От молекулы до духов. Как запах становится произведением искусства

Кристаллография, вероятно, наименее интуитивная из всех дисциплин, составляющих биологию, и те, кто ей занимается, посвящены в едва ли не самое колдовское знание, востребованное в любой научной области. Это смесь священных эмпирических способов (потереть бороду над блюдцем для начала роста кристаллов — типичный трюк) и глубоких математических теорий. Мой дядя — известный кристаллограф, и грифельная доска в его аскетичном кабинете всегда испещрена тройными интегралами — необычное зрелище для науки о жизни. Если методы трудны для понимания, то результаты сенсационно ясны. Кристаллографы получают, попросту говоря, изображения белков, в которых можно разглядеть атомы.

Мы не можем просто посмотреть на белки в микроскоп, потому что световые волны просто слишком велики, чтобы разглядеть столь мелкие объекты. Представьте, к примеру, что вы смотрите на волны, набегающие на пляж. Трудно допустить, что в море какое-то небольшое надувное устройство может повлиять на их поведение, а вот большое судно способно произвести большой эффект на прибой. Точнее говоря, размер судна должен быть сопоставим с размером волн, чтобы на них подействовать. То же самое относится к свету, и поэтому в микроскоп невозможно увидеть предметы меньше минимальной длины волны видимого спектра, а это примерно 0,5 микрон.

Достаточно короткие длины волн относятся уже к области рентгеновского излучения, но, к сожалению, рентгеновские лучи беспрепятственно проходят сквозь предметы, поэтому они так полезны в медицине. Вот почему нужно использовать кристаллы. Основной принцип кристаллографии понять нетрудно: он называется «дифракция». Представьте себе световые волны, идущие на непрозрачный объект с двумя щелями. Каждая щель становится фокальной точкой для кольцеобразных волн, которые от нее распространяются.

Поскольку конкретная волна, идущая слева, попадает в две щели одновременно, выходящие из щелей волны будут синхронизированы. Посмотрите на узор, который образуют эти волны: если две вершины или две впадины совпадают, они удваиваются; если вершина совпадает с впадиной, они взаимоуничтожаются. И на выходе, так сказать, на пляже, вы видите равномерную структуру: где набегающая волна сменяется затишьем через каждые несколько метров.

Как перейти от этого к белкам? Во-первых, представьте, что эксперимент со щелями проходит в трехмерном, а не в двухмерном пространстве: волны ударяются в карточку, в которой равномерно просверлены отверстия, и вы фиксируете узор волн на карточке-мишени, параллельной первой и расположенной от нее на некотором расстоянии. Предположим, отверстия все одинакового размера и расположены в форме квадрата. В таком случае на мишени вы получите квадратный узор волн. Интересно то, что чем ближе расположены отверстия на первой карточке, тем больше будет узор на второй. Сближение отверстий эквивалентно отдалению карточки-мишени [48] Чтобы почувствовать, как странно и удивительно образуются эти узоры, найдите в интернете приложение ‘2-D diffraction pattern applet’ и полюбуйтесь предлагаемыми моделями. . А теперь представьте, что эти отверстия не круглые, а более сложной формы, например, в виде буквы G. В таком случае точки на мишени, так называемая «дифракционная картина», будет выглядеть иначе. Появятся другие, более слабые точки, потому что каждая часть буквы G отражает свет независимо и образует узор, соответствующий конкретной G и всем остальным G на карточке.

А теперь представьте, что каждое отверстие на оригинальной карточке заменяется не одной буквой, а целым абзацем текста. Можно сказать иначе: представьте, что оригинальная карточка состоит из множества копий текста абзаца, размером с почтовую марку, расположенных рядом друг с другом. Дифракционная картина в таком случае будет невероятно сложной: каждая буква, каждая часть каждой буквы будет вносить свой вклад в узор волн. Задача кристаллографа, вы не поверите, состоит в том, чтобы прочитать весь абзац текста, начиная с точек. Метод работает, только если вы в состоянии создать 3-D кристаллы белков. Надо медленно удалять воду; высохшие белки внезапно начинают образовывать замечательные большие кристаллы (один миллиметр — вполне достаточно, если кристалл аккуратный и правильной формы). Но белки, которые нас интересуют, а именно рецепторы, являются мембранными белками и не очень охотно образуют 3-D кристаллы, поскольку живут в плоской, почти 2-D среде — в мембране. Поэтому кристаллографам приходится иметь дело с плоскими кристаллами, а это нехорошо. Если продолжать сравнение с абзацем текста, это значит, что вы в состоянии прочитать только заглавные буквы, а все остальные придется угадывать.