26. Восемь застёжек

Кристиан Анфинсен и его сотрудники ломали фермент и смотрели, как он чинится сам. Было это в конце пятидесятых в Бетесде под Вашингтоном, в лаборатории Национального института сердца. Фермент назывался рибонуклеазой: небольшой белок, который умеет одно — резать РНК, длинную молекулу-родственницу ДНК. Его опускали в крепкий раствор мочевины с веществом, которое рвёт внутренние сшивки, и белок распускался в бесформенную нитку. Ножницы переставали резать. Потом реагенты убирали, сильно разбавленный раствор оставляли на воздухе, и примерно за сутки нитка складывалась обратно. Фермент снова работал.

С варёным яйцом так не выйдет. Его белок от жара тоже разворачивается, но нитки слипаются друг с другом в белую массу, и дороги назад нет. Рибонуклеазу распускали не жаром, а химией, и в разбавленном растворе нитки не цеплялись друг за друга: каждая складывалась сама по себе. Внутри цепочки восемь особых звеньев, цистеинов, которые попарно сшиваются, как застёжки. Восемь застёжек можно защёлкнуть парами ста пятью способами, а рабочий из них один. Цепочка находила его без подсказки, будто высыпанные на стол застёжки сами защёлкнулись правильными парами.

Контрольный опыт сделал вывод острым. Если сшивки замыкали, пока мочевина ещё держала цепочку распущенной, выходило пальто, застёгнутое не на те пуговицы: всё на месте, а носить нельзя. Такой фермент почти не работал. Но стоило добавить совсем немного того же разрывающего вещества, уже без мочевины, и сшивки начинали расстёгиваться и застёгиваться заново, пока не вставали в правильные пары. Значит, рабочая форма — самая выгодная по энергии, та, куда цепочка приходит, если ей не мешать, а инструкция по сборке записана в самой цепочке. Главная статья вышла в 1961 году, а Нобелевскую премию Анфинсен получил в 1972-м.

Собран белок из того, что уже было. Цепочку держат прочные связи, те, что скрепляют атомы в молекулу, а форму — слабые, те самые, что складывали мыло в шарики: жирные звенья прячутся от воды внутрь клубка, остальные липнут друг к другу. Поэтому белок можно развернуть и свернуть снова, не порвав саму цепочку. Разница с мылом одна. Шарики мыла все одинаковые, записи у них нет. У белка она есть: двадцать видов звеньев-аминокислот, нанизанных в строгом порядке, и этот порядок решает, где цепочка согнётся и что спрячет внутрь.

Ни одна аминокислота ничего не режет и ничего не носит. Это кирпичик. Цепочка из сотен кирпичиков в одном порядке сворачивается в ножницы, в другом — в насос, в третьем — в мотор. Одна опечатка ломает работу. В 1956–1957 годах Вернон Ингрэм в Кембридже разрезал на кусочки гемоглобин здоровых людей и больных серповидноклеточной анемией, сравнил кусочки и нашёл, что в одной из цепочек гемоглобина, длиной в сто сорок шесть букв, отличается ровно одна. Из-за неё гемоглобин, отдав кислород, слипается в жёсткие волокна и гнёт красную кровяную клетку в серп. Расположение атомов было важно и раньше, в любом кристалле и в любой молекуле. Новое здесь — текст: линейная запись, которую можно читать буква за буквой.

Биофизик Сайрус Левинталь в конце шестидесятых заметил, что такой текст сворачивается подозрительно быстро. Вариантов укладки у цепочки столько, что, перебирая их вслепую, даже маленький белок складывался бы в сто миллионов миллиардов раз дольше, чем существует Вселенная. На деле он справляется быстрее, чем ты моргнёшь. Он не пробует варианты по очереди, а скатывается. Энергия цепочки устроена как воронка: чем ближе укладка к рабочей, тем она выгоднее, и почти любой шаг вниз по склону ведёт к дну. Раз форма записана в строке, её можно вычислить, и это пытались сделать полвека. В 2020 году программа AlphaFold научилась для многих белков предсказывать итоговую форму почти так же точно, как эксперимент, и двое её создателей получили за это Нобелевскую премию 2024 года, но путь, которым цепочка сворачивается, она не объясняет.

Гладко здесь не всё: всякий ли белок складывается сам по одной своей строке, вопрос открытый. Многим белкам в клетке помогают другие белки: они не дают свежим цепочкам слипнуться, но форму им не диктуют. Некоторые белки застревают на полпути в неудачной укладке. У многих куски так и остаются гибкой ниткой без постоянной формы. А прион умеет складываться двумя устойчивыми способами, и неправильная форма переделывает под себя соседние молекулы того же белка.

У ДНК свой текст, из четырёх букв-нуклеотидов, которые обозначают A, T, G и C. В 1952 году в Королевском колледже Лондона Розалинд Франклин и аспирант Рэймонд Гослинг сняли волокно ДНК в рентгеновских лучах; снимок вошёл в историю как «Фото 51». Годом позже в Кембридже Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик собрали по этому снимку и многим другим данным модель двойной спирали. Буквы в ней спарены строго: A всегда напротив T, G напротив C. Каждая половина однозначно задаёт вторую, как у молнии, и авторы прямо написали, что такое спаривание подсказывает способ копирования. Сама ДНК ничего не делает, это пассивная запись, а читают и копируют её белки. Зато записи много: если увеличить ядро человеческой клетки до теннисного мяча, внутри окажется двадцать два километра нити тоньше волоса.

Одна такая молекула не живёт: потомков у неё нет, и ей всё равно, будут ли они. Но у цепочки-текста два разных умения, и за каждым тянется своя ветвь. Первое — с неё можно снять копию, а если копии сами становятся образцами и иногда выходят с ошибками, появляются наследственность и отбор. Второе — её можно перевести: каждая тройка букв четырёхбуквенного алфавита означает одну букву двадцатибуквенного, и запись отделяется от того, кто по ней работает. Обе ветви растут из одной строки. Пока она просто лежит в растворе, застёгнутая молния, и каждая её половинка — готовая форма для отливки второй.