Кристаллография
Любое применение рентгеновских лучей почему-то сразу напоминает нечто научно-фантастическое, особенно когда для этого требуется оборудование стоимостью во много миллионов фунтов стерлингов. Кристаллография - более чем в пределах науки, что никак не умаляет ее обалденности.
Слегка к югу от Оксфорда (Англия) в окружении зеленых полей стоит сверкающее серебристое здание. С пролегающей рядом дороги оно смахивает на стадион, но будете ехать мимо — не обманитесь. Внутри этого здания ученые разгоняют электроны до немыслимых скоростей и так генерируют световые лучи в десять миллиардов раз ярче солнечных. В здании размещается «Даймонд лайт сорс» — самое дорогое научное заведение в истории Великобритании.
Синхротрон «Даймонд» — родственник Большому адронному коллайдеру; он тоже ускоритель элементарных частиц, только частицы в нем не сталкивают друг с другом, а излучение от них фокусируют на кристалле в несколько тысячных миллиметра в поперечнике. С помощью сверхъяркого света синхронтрона ученые вглядываются в отдельные молекулы и выясняют, как атомы связаны друг с другом.
Рентгеновское зрение
«Даймонд» производит чрезвычайно мощное рентгеновское излучение. Открыл его в 1895 году Вильгельм Рентген [Вильхельм Рёнтген], и ему — ив нынешнем веке, и в прошлом — мы обязаны пониманием устройства важнейших биологических молекул, а также лекарств и даже самых затейливых материалов, разработанных для производства солнечных батарей, строительства современных зданий и очистки воды.
Теория метода проста: рентгеновские лучи, проходя сквозь вещество, рассеиваются (претерпевают дифракцию), и по особенностям этого рассеяния можно судить о том, как атомы и молекулы вещества организованы в трехмерном пространстве. Картина рассеяния — совокупность точек, появляющихся на детекторе, когда в него попадают рентгеновские лучи. На самом же деле все очень непросто. Методика под названием «рентгеноструктурный анализ» требует в качестве исследуемого образца монокристалл — аккуратно упорядоченные ряды молекул. Не все вещества с легкостью образуют монокристаллы. Лед и соль — да, а вот вещества, состоящие из больших сложных молекул — белки, например, — приходится уговаривать.
Придумать, как вырастить монокристалл, — целое дело, на него могут уйти годы или даже десятилетия. Так получилось и у израильского химика Ады Йонат — она решила вырастить кристалл рибосомы. Рибосома — машинка по производству белка в живой клетке. Рибосомы есть в клетках у всех живых существ, даже у микробов, а значит, понимание устройства этой органеллы может помочь бороться с уймой опасных болезней. Беда в том, что сама рибосома состоит из множества разных белков и других молекул, то есть из сотен тысяч атомов, и это потрясающе сложная конструкция.
Кристальные методы
Начав в конце 1970-х, Йонат более десяти лет пыталась кристаллизовать рибосомы различных бактерий, чтобы потом исследовать кристаллы при помощи рентгена. Когда, наконец, удались кристаллы приличного качества, получившиеся рентгенограммы оказалось не так просто расшифровать, да и разрешение у них было довольно скверным.
Лишь в 2000 году, через тридцать лет поиска и в сотрудничестве с другими учеными, которые разделили с ней Нобелевскую премию, полученные Йонат рентгенограммы сделались, наконец, достаточно отчетливыми, чтобы по ним можно было прочитать устройство рибосомы на молекулярном уровне. И все же это была победа. Когда Йонат бралась за эту задачу, никто не верил, что ее можно решить. Недавно производители лекарств начали применять результаты исследований Йонат и ее коллег в создании новых препаратов, способных побеждать бактерии, устойчивые к лекарственному воздействию.
Ада Йонат, впрочем, не единственная женщина, посвятившая свою жизнь кристаллографии. Вообще вся эта область химии развилась благодаря Дороти Кроуфут Ходжкин, выяснившей кристаллическое устройство многих важных биологических веществ, в том числе холестерина, пенициллина, витамина В12 и — уже после вручения ей Нобелевской премии — инсулина. Вопреки постоянным болям от ревматоидного артрита, который у нее открылся в 24 года, она своей работой неустанно доказывала неправоту сомневавшихся в ней. Она исследовала пенициллин во время Второй мировой войны, когда кристаллография была еще совсем юной и на ее методы смотрели с недоверием. По крайней мере, один ее коллега по Оксфордскому университету высмеял предложенную ею структуру, которая позднее оказалась верной. С той структурой она разобралась всего за три года, а инсулину Ходжкин посвятила более тридцати лет.
Переходим на «цифру»
Во времена Ходжкин во всем применяли фотопленку — рентгеновские лучи проницали кристалл и попадали, рассеявшись, на фотопластины, которые размещались позади образца. Пятна на фотоматериале образовывали рисунок, посредством которого Ходжкин надеялась выявить атомную структуру вещества. Ныне рентгеновская кристаллография делается на цифровых детекторах, не говоря уже о мощных ускорителях частиц вроде «Даймонда» и компьютеров, способных разбираться в данных и производить сложные расчеты, необходимые для понимания кристаллических структур. Именно Ходжкин сражалась за компьютеризацию Оксфорда, попользовавшись компьютерным парком Манчестерского университета при изучении структуры витамина В12. Но в докомпьютерную эпоху ей приходилось производить сложнейшие математические расчеты силами своего невероятного ума.
«Если это структура пенициллина, я брошу химию и пойду растить грибы» Джон Корнфорт, британский химик, о (правильной) структуре, предложенной Ходжкин
Похоже, рентгеноструктурный анализ и его поклонники не прогадали. Некоторые ученые, может, и сомневались в этом подходе, но уже с 1960-х кристаллографические методики помогли понять устройство более чем 90 000 белков и других биологических веществ. Рентгеноструктурный анализ — первое средство, к которому прибегают при изучении устройства вещества на атомном уровне. И хотя сейчас метод уже вполне развит, у него все еще есть внутренние ограничения, которые предстоит преодолеть. Выращивать безупречные кристаллы — штука непростая в любом случае, и поэтому ученые ищут способы исследовать кристаллы не ах какие безупречные. И через 60 лет после того, как Ходжкин взялась за свое долгое изучение инсулина, ученые из НАСА получили возможность взглянуть на эту молекулу отчетливее — они вырастили кристалл в космосе: в условиях минимальной гравитации на Международной космической станции можно вырастить кристаллы гораздо лучшего качества.
Дороти Кроуфут Ходжкин (1910-1994)
Ходжкин помнят как одного из выдающихся ученых XX века. Она читала лекции и была любимым научным руководителем у себя в лаборатории, где среди ее студентов была и Маргарет Тэтчер, будущий премьер- министр Великобритании. А еще Ходжкин занимала пост канцлера (почетного ректора) Бристольского университета и участвовала в гуманитарных акциях. Ее лицо запечатлено на двух марках Британской почты.
Рентгеновское постижение
Современные ученые могут извлекать данные о кристаллической структуре образцов многократно меньших, чем те, с какими работала Дороти Ходжкин в 1940-е годы. А все потому, что в наши дни есть возможность генерировать значительно более мощное рентгеновское излучение. Сейчас его получают, разгоняя электроны в ускорителях элементарных частиц. Такие электроны испускают электромагнитное излучение, которое и именуют рентгеновским. Это излучение похоже на видимый свет, нос гораздо меньшей длиной волны.
Видимый свет в исследовании структур на атомном уровне использовать нельзя: любая волна в этом диапазоне длиннее размеров одного атома и, проходя сквозь образец, не будет рассеиваться. Исследуемые кристаллы помещают на нечто подобное булавочной головке и охлаждают, а затем подвергают облучению. Рассеяние (дифракция) луча создает на детекторе специфический рисунок - дифракционную картину.