наука: Изваяние невидимого

Автор: Чугунов Антон

Размер молекул, как правило, неизмеримо меньше того предела, который можно разглядеть даже в самый лучший оптический микроскоп - ведь длина волны видимого света существенно превосходит характерные размеры большинства молекул. Поэтому для изучения фундаментальных основ жизни приходится прибегать к упрощениям - молекулярным моделям, - чтобы биологические молекулы из области, доступной исключительно интеллекту, перенеслись в область видимого (на дисплее или листе бумаги) или даже осязаемого. Однако молекулы оказались не только желанным объектом для изучения: сама их суть стала для многих ученых и художников предметом вдохновения - и появилась молекулярная скульптура.

Историческая справка

Об авторе

Выпускник кафедры биофизики биофака МГУ, кандидат физ.-мат. наук, научный сотрудник Института биоорганической химии РАН (Лаборатория моделирования биомолекулярных систем), администратор и редактор интернет-журнала о современной биомолекулярной науке "Биомолекула".

biomolecula.ru

Понятие об атомарной структуре материи восходит к античности - его приписывают философу Демокриту. Однако внимание научного мира сосредоточилось на проблеме строения вещества лишь в средние века, когда Иоганн Кеплер размышлял о симметрии снежинок и симметричной упаковке сферических объектов (задаче, которая получила решение лишь недавно). В начале XIX века Джон Дальтон уже говорил об атомах как о реальных частицах различных масс и размеров, а ближе к середине столетия австрийский ученый Йозеф Лошмидт изображал молекулы в виде набора соприкасающихся окружностей. Создание первой пространственной модели молекулы (это был метан) приписывается Августу Вильгельму Хофману, однако важнейшая концепция химической науки - стереохимия - была заложена Якобом Хендриком Вант-Гоффом, обратившим внимание на тетраэдрическую форму атома углерода в метане. В ХХ веке развитие химии и рентгеновской кристаллографии привело к фундаментальным открытиям - установлению пространственной структуры молекул ДНК и белков, - и задача адекватного представления структуры биологических молекул, особенно сложных, стала насущной. Были разработаны "конструкторы" для сборки молекулярных моделей (некоторые из них до сих пор являются отраслевым стандартом), а прогресс в вычислительной технике и технологиях изготовления компьютерных дисплеев привел к появлению программ для визуализации и изучения биомолекул [См. статью "На заре молекулярной графики" в интернет-журнале "Биомолекула"].

Несмотря на колоссальный прогресс в области молекулярной компьютерной графики за последние десять-двадцать лет, "физические" модели молекул не утратили своего значения. Эдгар Мейер, один из персонажей нашего рассказа, отметил некоторую ущербность компьютерной графики: "Первое знакомство c биомолекулами научило меня благоговению перед Природой на молекулярном уровне. Компьютерная графика, хоть и привлекает своей цветной динамичностью, неспособна полностью передать всю трехмерную прелесть молекул".

Первые модели структуры белков конструировали из большого числа шариков, проволочек, втулок, винтиков и других деталей. Они были очень громоздки, хрупки и требовали огромного времени и усердия для изготовления, даже при использовании специальных "конструкторов" - наборов стандартных деталей для сборки. В настоящее время компьютеры почти полностью заменили такие конструкторы, но ведь возможность взглянуть на модель молекулы не только на компьютерном экране, но и "в реале" помогает лучше понять ее функцию и оценить красоту!

Одним из современных методов производства "твердых" моделей молекул (про "конструкторы" мы подробно говорить не будем1) является трехмерное прототипирование - способ изготовления объемных макетов любых объектов, используемый, в частности, в промышленном дизайне. Изготавливаются модели на автоматизированных установках (в том числе управляемых через Интернет), входными данными для которых является CAD-файл или файл с координатами атомов белка в общепринятом формате pdb. Одна из компаний, предлагающих изготовить "твердую" модель белка - 3D Molecular Designs (3dmoleculardesigns.com), - располагает целым арсеналом технологий прототипирования: стереолитография, избирательное спекание лазером, ламинирование, моделирование путем последовательного наплавления и трехмерная печать. Последняя технология аналогична струйной печати с той лишь принципиальной разницей, что вместо чернил используются полимеризующиеся композиты. На подложку наносится слой за слоем, пока модель не будет готова. Трехмерная печать превосходит другие технологии прототипирования в скорости, но не всегда - в качестве. Для молекулярных макетов очень важна правильная раскраска атомов, и только трехмерная печать позволяет сразу получать цветные объекты (за счет использования разноцветных "чернил"). Модели, созданные с помощью других технологий, после изготовления необходимо красить.

Преподаватели отмечают, что подобные модели чрезвычайно полезны в обучении, ведь если студент сможет подержать в руках молекулу хемотрипсина, гемоглобина или рибосомы, он немедленно, на интуитивном уровне, почувствует, как структура белка связана с его функцией - а ведь это один из важнейших аспектов молекулярной биологии!

Не следует думать, что вопросы визуального представления молекул и наукоемкого материала занимают умы только зарубежных ученых. Московская компания Visual science создает научные иллюстрации, пластиковые модели биомолекул, пространственные модели медико-биологических объектов, изготавливаемые с помощью трехмерной печати. Иллюстративный материал такого рода делает научную информацию весьма наглядной. Компания ставит своей целью обеспечить профессиональное иллюстрирование учебников и научно-популярных публикаций, не допуская при этом фактических ошибок, которыми изобилуют многие издания.

Обычно под белковыми кристаллами подразумевают специальным образом приготовленные образцы белка, за счет своей высокоупорядоченной структуры способные давать четкую дифракционную картину при рентгеновском облучении (этот эффект используется для экспериментального исследования структуры белков). Однако есть и другие кристаллы - своеобразные миниатюрные произведения искусства на тему структуры белка, выполненные прямо в толще стеклянного блока.

Бэтшиба Гроссман (Bathsheba Grossman) работала и программистом, и машинисткой, и техническим писателем, но всегда только по совместительству со своей главной страстью - скульптурой, основанной на законах симметрии, математике и науках о жизни. Несколько лет назад она заинтересовалась технологией лазерной гравировки в массиве стекла, позволяющей внутри геометрически идеального блока оптического кристалла создавать картины с помощью лазерного "выжигания" микродефектов. Конический луч иттрий-алюминий-гранатового лазера фокусируется на определенной точке внутри кристалла и создает микроскопический (примерно 0,1 мм) дефект, видимый как белая точка [По некоторым данным, эту технологию разработали еще в СССР]. Множество (до миллиона!) таких точек, последовательно "расставляемых" в стеклянном блоке под управлением компьютера, порождает целостную картину - такую, например, как структура комплекса ДНК с полимеразой (рис. на странице слева).

Один из друзей Гроссман, биолог, увидев ее эксперименты с лазерной гравировкой, попросил изготовить изображение молекулы белка. Художница заинтересовалась визуализацией биомолекул и взялась писать собственные программы для управления лучом лазера: ведь заставить "облако" точек выглядеть как белковая молекула - очень трудная задача! Начавшись как невинное увлечение, "стеклянная" скульптура переросла в бизнес - на принадлежащем Бэтшибе сайте www.crystalprotein.com идет бойкая торговля белковыми молекулами, "запечатанными" в кристаллы, как древнее насекомое в янтарь. Справедливости ради отметим, что белки - не единственный интерес Гроссман. Некоторые ее скульптуры напоминают загадочные клубки сложной топологии и изготавливаются по технологии трехмерной печати металлическим порошком. Работа Гроссман под названием Metatrino даже попала в популярный в Америке сериал про ученых "Numb3rs" (Бёрд Киви посвятил ему статью в "КТ" #684).

Есть и другие специалисты по изготовлению "стеклянных белков". Компания Luminorium, например, преподнесла в подарок Тиму Ханту (Tim Hunt), нобелевскому лауреату 2001 года по биологии и медицине, "кристальную" модель циклин-зависимой киназы - молекулы, за исследование которой он и был удостоен нобелевки. "Я поражен моделью CDK-2 с циклином А, которую вы сделали для меня. Глядя на нее, я убеждаюсь, что настоящему трехмерному объекту, на который можно посмотреть с любой стороны, невозможно найти замены. А как чудно она сияет, когда ночью направишь на нее лампу!" - восхитился ученый.

Химия и биология оказали чрезвычайное влияние на современное общество и на весь уклад жизни людей. Чтобы наглядно проиллюстрировать это, а также привлечь внимание широкой публики к проблемам восприятия и понимания естественных наук, с сентября 2007 по апрель 2008 года Учебный музей Танг и галерея искусств Skidmore College (Нью-Йорк) проводит выставку-турне "Неслучайные молекулы" ("Molecules that matter", см."КТ" #702). Специальная выставочная комиссия придирчиво отобрала десять органических молекул (по одной на каждое десятилетие XX века), оказавших наибольшее влияние на жизнь человечества, а также на культуру; каждой из них посвящена отдельная секция. Демонстрация моделей этих молекул в комбинации с документальными свидетельствами их значимости, дополненная произведениями искусства и электронными информационными ресурсами, лучше всяких слов рассказывает о прогрессе в химической и биологической науке.

Вот список этих замечательных молекул

Вдохновение, вызываемое биологическими молекулами, подвигло ученых решиться на большее, нежели создание абсолютно точных "физических" моделей, - даже несмотря на свой завораживающий внешний вид, дотошно скопированные со структурных файлов модели остаются всего лишь моделями. Романтическая душа исследователей требовала иного, и некоторые из них начали создавать настоящие произведения искусства по мотивам белковых структур.

Байрон Рубин (Byron Rubin), исследователь-кристаллограф, в 1970-х сконструировал устройство, способное по заданной программе сгибать толстую медную проволоку, "упаковывая" ее в пространстве аналогично белковой цепи. Модели, созданные на "сгибателе", обрели в то время широкую популярность. Хоть они и показывали лишь укладку "остова" белковой молекулы, зато давали общее представление о структуре белка и были легки и портативны. Позже Рубин развил свои идеи и увлекся молекулярной скульптурой, создавая модели молекул из лент нержавеющей стали (как, например, "скульптура" человеческого гормона роста, рис. слева) или такого малоподходящего на первый взгляд материала, как автомобильные выхлопные трубы.

Фармацевтические гиганты Merck и Pfizer заказали у Рубина скульптуры молекул интерферона-b и ВИЧ-протеазы с ингибитором, являющихся заметными вехами в истории этих компаний.

Перед главным входом в Институт биоорганической химии РАН имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова (где я работаю. - А.Ч.) стоит необычное изваяние. "Скульптура изображает комплекс антибиотика валиномицина с ионом калия. Общий принцип связывания ионов металлов и их перенос через мембраны с помощью ионофоров был открыт в институте в 1963 году" - гласит надпись на постаменте.

Эдгар Мейер (Edgar Meyer) - пионер компьютерной графики в биомолекулярных исследованиях, основатель Брукхейвенского депозитария пространственных структур белков (Protein Data Bank) и кристаллограф, на счету которого десятки структур белковых молекул, - со страниц своего сайта molecular-sculpture.com заявляет: "Природа, изучаемая науками о жизни, наглядно демонстрирует нам разнообразие форм живого. Функции молекулярных систем, на которых основывается жизнь, находятся у нас перед глазами, но их структура ускользает от нас в глубины наномира. Однако строение молекул все же можно увидеть с помощью кристаллографии, ЯМР-спектроскопии или криоэлектронной микроскопии. На моем сайте вы увидите, как атомы и молекулы могут быть воплощены в ценных породах дерева или в металле. Для человека, далекого от науки, это может показаться эзотерической формой абстрактного искусства; даже для ученого, далекого от молекулярных исследований, эти формы будут выглядеть крайне причудливыми и непонятными. Так или иначе, нам предстоит увидеть красоту, являемую самой природой".

Выйдя на пенсию, Мейер увлекся изготовлением скульптур молекул из различных пород дерева. Для автоматизации процесса он использует контролируемый компьютером с его собственной программой фрезерный станок, который слой за слоем обрабатывает деревянные монолиты.

Окончание следует