Глава 9 Живое или неживое?

В этой главе мы поговорим о вирусах (несомненно, объектах нанонауки) и о том, как вирусология порождает новые, конечно же, нанотехнологии.

Слово “вирус” знакомо, наверное, всем, но мало кто представляет себе, что это такое. Так вот, вирус – это ДНК (или РНК) в белковой оболочке, нечто пограничное между живым и неживым. А честь открытия вирусов принадлежит русскому ученому Дмитрию Иосифовичу Ивановскому (1864–1920). Готов поставить десять к одному, что фамилия эта до сего момента была вам неизвестна. Если я ошибся, то примите мои извинения, поздравление с выигрышем и восхищение вашей эрудицией. Внакладе же я не останусь, потому что девяносто девять других читателей с лихвой компенсируют мой проигрыш вам.

Дмитрий Ивановский родился в родовом поместье под Гдовом близ Санкт-Петербурга. Это имение стало последним осколком некогда огромного состояния. Земельная реформа Александра II и отмена крепостного права лишили Ивановских и этого источника существования, а ранняя смерть отца семейства довершила крах. Вдова с пятью детьми перебралась в столицу, где едва сводила концы с концами, получая маленькую пенсию. Хроническое безденежье наложило отпечаток на молодые годы Дмитрия Ивановского, да и потом преследовало его – видно, так ему на роду было написано. Плюс состоял в том, что он был просто вынужден уделять большое внимание учебе, чтобы оканчивать все курсы в числе первых учеников и получать стипендии для продолжения образования, а беспрестанное репетиторство, которым он стал заниматься еще в гимназии ради заработка, приучило к самодисциплине и закалило характер.

После гимназии Ивановский поступил на отделение естественной истории физико-математического факультета Петербургского университета. Под “естественной историей” понимались тогда химия и биология, а преподавали их в университете такие корифеи отечественной и мировой науки, как Дмитрий Иванович Менделеев, ботаник Андрей Николаевич Бекетов[43] и Андрей Сергеевич Фаминцын, один из пионеров исследований фотосинтеза, введший в научный оборот хорошо всем известный термин “обмен веществ” применительно к растениям. Под их руководством Ивановский грыз гранит науки, параллельно подрабатывая лаборантом в лаборатории физиологии растений и анатомии и приобщаясь там к самостоятельной научной деятельности.

После окончания университета Ивановского вместе с его однокурсником В. Половцевым отправили “в поле” на юг России (теперешнюю Украину и Молдавию) изучать болезни табака, которые причиняли большие убытки. В первый же сезон молодым исследователям удалось установить, что местный табак поражен двумя болезнями совершенно разной природы. Одна из них, которую они назвали “рябухой”, вызывалась микроскопическим грибком-паразитом, распространение которого было связано с климатическими условиями местности. Вторая имела похожие внешние симптомы: у больного растения некоторые участки листа теряли зеленое красящее вещество, хлорофилл, а другие, наоборот, накапливали его более энергично, вследствие чего лист становился пятнистым. Болезнь была заразной и передавалась от растения к растению неведомым образом. Буквально за год до этого ее описал голландский ботаник Адольф Майер, давший ей название “мозаичной болезни”.

Фаминцын предложил Ивановскому продолжить исследования, чтобы выявить возбудителя болезни. Нельзя сказать, что Ивановский с радостью ухватился за это предложение, более того, он от него упорно отказывался, боясь завалить порученное дело и не оправдать высокого доверия учителей. Он был классическим русским интеллигентом, скромным, неуверенным в себе, вечно сомневающимся, в общем, рефлектирующим.

Признаем, что основания для сомнений были. Микробиология – наука о микробах – находилась тогда в самом начале своего бума, непрекращающегося по сей день. Стараниями Луи Пастера (1822–1895) было окончательно установлено, что заразные болезни вызываются мельчайшими живыми организмами – микробами или бактериями, которые проникают в тело человека или животных. Параллельно Роберт Кох (1843–1910) разработал основные методы исследования бактерий, после чего открытия новых бактерий – возбудителей разных болезней – посыпались как из рога изобилия. Но возбудители некоторых болезней, причем таких распространенных, как оспа, бешенство и корь, никак не давались в руки ученых.

Пастер элегантно обошел это препятствие, создав вакцину от бешенства без проникновения в тайну того, что же, собственно, вызывает эту болезнь. А несколькими десятилетиями раньше то же самое сделал Дженнер с оспой. Можно сказать, что и в этих случаях технологии шли впереди науки. Но проблема между тем оставалась. В случае растений она усугублялась тем, что необходимо было обнаружить именно возбудителя болезни, половинчатый результат в виде создания вакцины не проходил, ибо вакцин для растений не существует. Надежда на то, что начинающий исследователь преуспеет там, где потерпели фиаско его более опытные коллеги, была весьма призрачной.

Как бы то ни было, Ивановский взялся за исследования, деля время между Петербургским университетом, табачными плантациями Никитского ботанического сада в Ялте и Ботанической лабораторией Академии наук. Квинтэссенцией его работы был эксперимент, который задним числом кажется элементарным и даже самоочевидным. Ивановский пропустил сок больного растения через фильтр – так называемую свечу Шамберлена, ученика Пастера, который ввел ее в употребление для отделения микробов от жидкости. Она представляет собой полый цилиндрик из пористой глины, “фарфора”, закрытый с одного конца. Его вставляют в просверленную пробку, а ту плотно вгоняют в горлышко стеклянной колбы. Затем через верхний открытый конец в цилиндрик наливают жидкость, содержащую бактерии. При откачке из колбы воздуха жидкость проходит через стенки цилиндрика и стекает вниз, бактерии же не могут пройти через мелкие поры и остаются на стенках.

Классики науки утверждали, что отфильтрованная жидкость уже не содержит бактерий и, следовательно, не является заразной. Но в случае с соком растений, больных табачной мозаикой, это оказалось не так. “Сверх всякого ожидания, – писал Ивановский, – оказалось, что и после фильтрования через глиняные фильтры Шамберлена способность сока передавать болезнь не уничтожалась”. Эта простая, ничем не примечательная для неспециалиста фраза означала переворот в науке. Ивановский впервые в истории обнаружил нечто сверхмалое, способное вызывает инфекционное заболевание.

О природе этого нечто Ивановский высказался довольно осторожно. Это могла быть “бактерия, способная проходить через фильтр благодаря своим ничтожным размерам, или выделяемый ею растворимый яд, способный сам по себе вызвать всю внешнюю картину заболевания”. Кроме того, Ивановский установил, что заболевшее от фильтрованного сока растение способно передать заразу другому – здоровому, то в свою очередь – третьему и т. д. Все указывало на то, что заразное начало в организме растения размножается, а это было весомым аргументом в пользу бактериальной версии. Но дальнейшего развития этих исследований не последовало.

14 февраля 1892 года Ивановский сделал в Академии наук доклад “О двух болезнях табака”, в котором обобщил результаты пятилетних исследований. Именно эта дата считается в мировой науке днем рождении вирусологии. Европейская научная общественность была оповещена об открытии через статьи, опубликованные в немецких журналах. Департамент земледелия получил от Ивановского практические рекомендации по мерам борьбы с болезнями табака, которые сводились к обязательному введению севооборота и повышению культуры земледелия. Ивановскому была присуждена ученая степень доктора философии. Этим все и закончилось.

Новоиспеченному доктору философии была предложена новая тема для исследований, гораздо более важная с народно-хозяйственной точки зрения, – процесс спиртового брожения под действием дрожжей. Причина столь резкой смены курса была довольно прозаичной. Дело в том, что российская наука в те годы практически не финансировалась государством. Д.И. Менделеев, находившийся в привилегированном положении, получал из казны на всю свою лабораторию триста рублей в год. Конечно, тогдашний рубль и нынешний ни в какое сравнение не идут, но, по какому курсу ни считай, все равно выходит очень мало. Другие не получали и того, зачастую оплачивая расходы на исследования из собственного кармана. И естественно, при возможности добывали, говоря современным языком, гранты и выполняли хоздоговорные работы.

В те годы считалось, что с научной точки зрения процесс спиртового брожения под действием дрожжей не представляет большого интереса, потому что на все значимые вопросы (или почти на все уже) ответил Пастер. Но Ивановский с его склонностью все подвергать сомнению воспроизвел описанные эксперименты и обнаружил ряд фактов, противоречивших господствовавшим тогда взглядам. Он, в частности, показал, что продуктивность дрожжей зависит не только от недостатка кислорода в системе, но и от присутствия азотсодержащих веществ, а кроме того, от используемой линии дрожжей, культивирование которых он ввел в практику лабораторий. Все это имело самое непосредственное отношение к промышленности. Ивановский организовал на базе Технологического института специальные курсы по подготовке экспертов для спиртовой отрасли, на которые приезжали слушатели даже из-за рубежа. А еще он защитил в 1896 году квалификационную диссертацию “Изучение спиртовой ферментации”, которая позволила ему получить должность приват-доцента в Петербургском университете, а вскоре и должность заведующего кафедрой.

В сущности, последнюю он получил авансом с условием, что в пятилетний срок защитит докторскую диссертацию. Это побудило его вернуться к изучению возбудителя табачной мозаики. Оказалось, что всего лишь за несколько лет его вынужденного отсутствия в открытой им области науки произошли существенные изменения. Прежде всего возбудитель болезни обрел имя – “фильтрующийся вирус”. Так его назвал голландский микробиолог и ботаник Мартин Виллем Бейеринк[44] (1851–1931), воспроизведший опыты Ивановского. Слово “вирус” было известно много столетий и означало по-латыни всего-навсего “яд”. Именно этот прямой смысл придавал ему Бейеринк, который считал, что возбудителем табачной мозаики служит “живая ядовитая жидкость”. Лишь с течением времени термин “вирус” приобрел самостоятельный смысл и утратил поясняющее прилагательное “фильтрующийся”.

Впрочем, Бейеринк признавал, что вирусная жидкость – живая, то есть способна к размножению. Он установил, что этот процесс протекает только в растущих органах табака, то есть там, где происходит деление клеток растения. Кроме того, он показал, что вирус может быть дезактивирован путем кипячения, а при высушивании при комнатной температуре его активность сохраняется.

Отталкиваясь от обнаруженных Бейеринком фактов, Ивановский заново проанализировал результаты своих старых исследований и проделал множество экспериментов для установления природы вируса. Они свидетельствовали в пользу того, что вирус – не жидкость, не токсин, не какое-то химическое вещество, а частицы в сто раз меньшего размера, чем бактерии. От бактерий их отличало то, что они не размножались в культуральной жидкости, то есть вне живого организма. Впрочем, ученые к таким “отрицательным” доказательствам относятся очень настороженно. То, что не удалось сделать одному исследователю и даже сотне исследователей, может оказаться под силу сто первому. Собственно, пример самого Ивановского с его опытом по фильтрации вирусов подтверждает эту простую максиму.

Полагая, что вирус табачной мозаики является мельчайшим микробом, Ивановский прилагал все усилия, чтобы разглядеть его. Для этого он изучал под микроскопом тончайшие срезы листьев больных растений, а для увеличения контрастности использовал специальные вещества, применявшиеся для окраски бактерий. В результате ему удалось разглядеть в пораженных клетках растения какие-то бесцветные кристаллы и скопления окрашенных палочек и точечек. Первые иногда называют “кристаллами Ивановского”, но сам ученый не придал им значения, он полагал, что искомый вирус – это окрашенные палочки и точечки.

Тут интуиция подвела его: именно кристаллы и представляли собой скопления самого вируса. В оправдание Ивановскому скажем, что правильный вывод был далеко не таким очевидным, каким он представляется нам с высоты наших теперешних знаний. До него науке предстояло пройти долгий путь. Кристаллическую природу вируса табачной мозаики американский биохимик Уэнделл Стэнли установил лишь в 1935 году, и только тогда же, кстати, была окончательно похоронена “жидкостная” теория Бейеринка. А сам Стэнли в 1946 году получил Нобелевскую премию по химию.

Ивановский же пока не наработал даже на докторскую диссертацию. Виноват в этом он был отчасти сам, если, конечно, считать виной избыточную скрупулезность в работе и многократный повтор одних и тех же экспериментов – для большей уверенности. Он не выполнил поставленного условия, и в 1901 году университетское начальство отстранило его от должности заведующего кафедрой, пригласив на это место из Варшавы известного ботаника и биохимика Владимира Ивановича Палладина, избранного вскоре членом-корреспондентом, а затем и академиком Петербургской академии наук. Интересно, что студенты, любившие Ивановского как лектора и прогрессивного, свободомыслящего человека, при сем известии взбунтовались и объявили бойкот Палладину. Но это уже ничего не могло изменить.

Ивановский переехал в Варшаву, совершив своеобразную рокировку с Палладиным. В 1903 году он защитил-таки докторскую диссертацию по мозаичной болезни табака и получил должность профессора Варшавского университета. За эти несколько лет вирусология сделала еще один впечатляющий рывок. Немецкий бактериолог Фридрих Август Лёффлер в 1898 году обнаружил еще один “фильтрующийся вирус” – возбудитель ящура крупного рогатого скота, а американский врач Уолтер Рид в 1901 году установил первое вирусное заболевание человека – желтую лихорадку.

Постепенно становилось ясно, что вирусы – явление для мира живой природы вполне обычное. Но сам Ивановский, выпустивший джинна из бутылки, уже не принимал участия в этих исследованиях. В Варшаве он занимался изучением фотосинтеза. К этому его побудило наблюдение, сделанное при изучении табачной мозаики: в пораженных, желтых частях листьев табака содержалось не только мало хлорофилла[45], но и мало крахмала. Хлорофилл – зеленый пигмент растений – изучали самые разные ученые на протяжении десятилетий, но Ивановскому и здесь удалось сделать важные открытия. Было известно, что после экстракции спиртом из листьев растений устойчивость хлорофилла к действию света существенно падает. Ивановский “всего-навсего” добавил к спиртовому экстракту воду, в результате чего молекулы хлорофилла слиплись в коллоидные частицы размером в десятки нанометров. Но при этом стабильность хлорофилла возросла в 15–30 раз, приблизившись к его стабильности в листьях растений. Из этого, в частности, следовал вывод, что в процессе фотосинтеза участвуют не изолированные молекулы хлорофилла, а собранные из них “пачки”.

Выявил Ивановский и роль желтого пигмента, выделенного из листьев растений. Оказалось, что он не принимает прямого участия в процессе фотосинтеза, но служит защитой хлорофиллу от разрушающего воздействия ультрафиолетового света. Для этих экспериментов Ивановскому нужны были образцы чистых пигментов, и тут не обошлось без “помощи друга”.

Другом был еще один гений российской науки – Михаил Семенович Цвет. Он родился в Италии в 1872 году (его мать была итальянкой), учился в Швейцарии и получил степень бакалавра в Университете Женевы. Швейцарцы числят его, естественно, своим, да и сам Цвет считал себя больше швейцарцем, чем русским. Тем не менее в 1897 году он переехал в Санкт-Петербург, где преподавал физиологию растений на Курсах воспитательниц и руководительниц физического образования, возглавляемых Петром Францевичем Лесгафтом, и изучал химию хлоропластов в Биологической лаборатории Академии наук. Тогда-то Ивановский и познакомился с ним. Дружба окрепла, когда волею судьбы они оказались вместе в Варшаве.

Именно там в 1906 году Цвет изобрел метод разделения веществ, названный им хроматографией. Он пропустил раствор, содержащий смесь различных хлорофиллов, через стеклянную колонку, заполненную мелкоизмельченным мелом, в результате пигменты “расползлись” по колонке, сформировав четко отделенные друг от друга слои. Нечто подобное вы могли наблюдать и сами при попытке отмыть пятно, посаженное на скатерть или на одежду. Серо-буро-малиновое пятно, как назло, не исчезает, а только пуще расплывается, являя яркие цвета – всю гамму красителей, которыми напичканы современные продукты питания.

Хроматография – наиболее универсальный метод разделения веществ, без него сейчас невозможно представить химический и биохимический анализ, а ботаник Михаил Цвет, как я уже отмечал ранее, включен в юбилейный список ста самых выдающихся химиков всех времен. Начиналось все с опытов по разделению различных хлорофиллов, которые Цвет, вполне возможно, делал по просьбе Ивановского. Допускаю также, что название метода было изящной шуткой Цвета, ведь “хрома” по-гречески означает “цвет”. Но на лекциях студентам мы, конечно, говорим, что “хрома” в названии метода происходит из цветной окраски слоев, полученных Цветом в ходе его первых экспериментов.

Плодотворное сотрудничество прервалось в 1915 году. Учебные заведения Варшавы эвакуировали из-за начавшейся войны. Ивановский при этом лишился всего оборудования для научных исследований, которое было в значительной степени приобретено на его собственные средства или сделано его руками, обширной личной библиотеки и многих из его лабораторных журналов. Все надо было начинать с чистого листа в Ростове-на-Дону, где был основан новый университет. Затем последовали революции и Гражданская война. Все усугубилось смертью единственного сына Ивановского.

Можно только поражаться, как в этих условиях Ивановский сумел создать главный педагогический труд своей жизни – фундаментальный учебник “Физиология растений”.Скончался Ивановский в 1920 году. Годом раньше умер от голода в Воронеже Михаил Цвет. Сделанные ими открытия не принесли им славы, академических званий и счастья, кроме, конечно, единомоментного счастья самого открытия, которое не зависит ни от последующего признания, ни от значимости открытия, ни даже от его правильности. По большому счету и на мировую науку эти открытия не оказали существенного влияния. Метод хроматографии был открыт, по сути дела, заново в 30–40-е годы. Ситуация с Ивановским несколько иная. Параллельно с ним работали Бейеринк, намного более известный ученый, и другие исследователи, внесшие объективно не меньший вклад в развитие вирусологии. Ивановскому по складу его характера и в голову не могло прийти вылезать вперед и кричать на всех углах: “Это я! Это я сделал! Я – первый!” Мне вообще кажется, что он не придавал своему приоритету в открытии вирусов большого значения и ставил выше его свою “Физиологию растений”. Как ни парадоксально это звучит, но сделать открытие, особенно если оно назрело, способны многие, а вот написать хороший учебник могут единицы. Ивановскому удалось и то и другое.За сто двадцать лет, прошедших с открытия Ивановского, вирусология превратилась в обширнейшую область науки в точном соответствии с местом, которое занимают вирусы в иерархии органической материи на нашей планете. Оказалось, что по численности вирусы могут претендовать на звание одной из самых распространенных форм существования этой материи. Достаточно сказать, что в одном литре морской воды содержится 250 миллиардов вирусов, что на порядок больше количества содержащихся там же бактерий и сопоставимо с количеством людей, когда-либо живших на Земле. Ученые детально изучили около пяти тысяч различных видов (штаммов) вирусов, но общее их количество оценивается в несколько миллионов. Это приблизительно соответствует числу химических веществ, синтезированных химиками за всю историю их науки, что свидетельствует, с одной стороны, о большей изобретательности Природы, а с другой – о малости наших знаний о вирусах и о том, что работы впереди непочатый край.

Нет, знаем мы уже, конечно, много, даже очень много. Например, о том, как устроены вирусы. Тут ученым помогли приборы и методы исследования, о которых даже не подозревали во времена Ивановского. Так, только после изобретения в 1931 году электронного микроскопа удалось наконец-то разглядеть вирусы. Сделал это упоминавшийся выше Уэнделл Стэнли.

Размер большинства вирусов составляет от 10 до 300 нм, то есть они являются классическими нанообъектами. Говоря современным языком, вирусы представляют собой контейнер для хранения генетической информации в виде ДНК или РНК[46]. Сам контейнер – защитная оболочка вирусной частицы (вириона) – состоит из белков и называется капсидом. У некоторых вирусов это один-единственный белок, за счет чего достигается большая экономия генетической информации. При этом вирусу не требуется никакого дополнительного механизма формирования капсида – он образуется путем самоорганизации молекул белков. Поэтому многие вирионы имеют правильную геометрическую форму – например, вирионы полиомиелита, ящура, гепатита А – форму икосаэдра. Это роднит вирусы с другими известными нам нанообъектами – наночастицами золота, представляющими мир неорганической природы.

А вот вирус табачной мозаики, открытый Ивановским, имеет форму цилиндра. Его оболочка образуется путем самосборки из 2130 молекул одного белка, которые закручиваются спиралью вокруг молекулы РНК. (Это, как мы помним, впервые обнаружил Джеймс Уотсон, а детально изучила Розалинд Франклин.)

Более сложные вирусы, в частности вирусы гриппа и ВИЧ, заключены в дополнительную оболочку – “конверт”, составленный из компонентов, которые вирус выхватывает из мембран клеток атакуемого им организма. В их число входят и специальные метки (маркерные белки), сигнализирующие: я – свой. Поэтому нашей иммунной системе так сложно справляться с таким вирусом, проникшим в наш организм и размножившимся там.

Отдельного и подробного описания достойны бактериофаги – вирусы, поражающие бактерии, один из примеров идеальных молекулярных машин, созданных Природой.Чтобы дать вам небольшую передышку в этом потоке научной информации, расскажу об открытии бактериофагов. Первым их обнаружил английский бактериолог Фредерик Туорт в 1915 году. Пришел он к этому открытию весьма извилистым путем. Занимался он вирусом оспы и, следуя Ивановскому и другим предшественникам, пытался размножить вирус в питательном растворе с тем же, впрочем, отрицательным результатом. Вакцины оспы, которые использовались в то время для прививок, были сплошь загрязнены стафилококком, вызывавшим всякие побочные эффекты, но Туорта заинтересовало другое. Он предположил, что эти бактерии выделяют некое вещество, способствующее существованию вирусов оспы, – так он переключился на исследование стафилококка.В ходе экспериментов по выращиванию культур бактерий Туорт обнаружил некую “заразу”, которая поражала колонии бактерий, проходила через фарфоровый фильтр и размножалась только в присутствии бактерий. Не сомневаюсь, что вы после прочтения предыдущего текста не затруднитесь с выводом: вирус! А вот Туорт этого вывода не сделал. Это тем более удивительно, что сам он занимался именно вирусами. Это пример того, как даже хороший специалист может пройти мимо открытия, не заметив его. Настолько велика сила стереотипа: Туорт твердо знал, что вирусы вызывают заболевания растений, животных и человека, но он-то занимался бактериями! И поэтому в статье, опубликованной в журнале “Ланцет” в 1915 году, Туорт, описав все свойства новой заразы, определил ее как некий фермент, или токсин, выделяемый самими бактериями.

Все это было очень туманно, и научное сообщество сообщения не заметило. В отличие от статьи канадского микробиолога Феликса Д’Эреля, который в 1917 году независимо от Туорта сообщил об обнаружении вирусов, поражающих бактерии, и приписал им корпускулярное строение. Именно ему долгое время приписывали приоритет открытия. Справедливость восстановил француз Жюль Борде (1870–1961), сам много сделавший для изучения бактериофагов и раскопавший старую статью Туорта. Нобелевский лауреат по физиологии и медицине мог позволить себе высшую степень принципиальности – признать преимущество англичанина перед французом.

Что же представляет собой бактериофаг? Он состоит из уже знакомого нам икосаэдрического контейнера, внутри которого хранится нуклеиновая кислота – РНК или ДНК, на которую приходится около половины веса бактериофага. К контейнеру присоединен полый стержень из белковых молекул, замкнутый снизу пластинкой. От конца стержня отходят несколько нитей-фибрилл. Все в целом это вызывает ассоциацию со спускаемым аппаратом космического корабля, предназначенного для мягкой посадки на поверхность далеких планет. Собственно, первая стадия атаки бактериофага на бактерию чем-то напоминает этот процесс.

У бактериофагов нет внутренних источников энергии для самостоятельного движения, поэтому на первый взгляд бактерия сама случайно наталкивается на бактериофаг, как корабль на мину. Тем не менее бактериофаг способен передвигаться, используя микроконвективные потоки в жидкости и свои длинные хвостовые фибриллы в качестве “парусов”. Сигналом к поднятию “парусов” служат некоторые продукты метаболизма бактерии, которые она выбрасывает в окружающую среду. Эти вещества воздействуют на нити фага, заставляя их “распушаться”. Поэтому бактериофаг преимущественно поражает бактерии в определенной стадии их жизненного цикла – незадолго до деления. В этот период они наиболее активны, много едят и много выделяют. В зоны с высокой концентрацией продуктов метаболизма и устремляются бактериофаги, устраивая там “минное поле”.

Поток жидкости подносит бактериофаг к бактерии или наоборот. Фибриллы “ощупывают” поверхность бактерии на предмет того, а подходящий ли это объект для атаки, ведь каждый бактериофаг настроен на определенный вид бактерий – чужого им не надо! Наткнувшись на нужные им рецепторы, фибриллы прочно связываются с ними, заякориваются, а затем изгибаются и прижимают конец стержня к поверхности. В пластинке находится специальный фермент лизоцим, он “прожигает” отверстие в мембране бактерии, в которое входит стержень. Через этот стержень внутрь бактерии “впрыскивается” нуклеиновая кислота из головки бактериофага.

После этого начинается обычный вирусный беспредел, детали которого, кстати, удалось выяснить в значительной мере при помощи все тех же бактериофагов, ведь бактерии – намного более удобный объект для исследований, чем растения и животные. Генетическая информация, поступающая в виде ДНК (РНК) от вируса, перепрограммирует клетку хозяина и подчиняет всю ее жизнедеятельность задаче производства компонентов вируса, то есть его размножения. Используя инфраструктуру бактерии, нуклеиновая кислота бактериофага направляет синтез необходимых ему белков и при этом еще сама реплицируется. Ученые называют это автокаталитическим процессом с ускорением. Образующиеся белки и нуклеиновые кислоты “самособираются” в новые бактериофаги числом от 200 до 1000, а произведенный фермент лизоцим растворяет оболочку бактерии, выпуская этих “убийц” на свободу.

На все про все уходит около 30 минут. Возникает естественный вопрос: почему же бактериофаги, и вирусы в целом, при такой гигантской скорости размножения не заполонили уже всю Землю? Ответ очень прост: недостаток ресурсов. Например, бактериофаги уничтожают в неком пространстве целевой для них вид бактерий, а потом сами превращаются в добычу или “вымирают” естественным образом. Как мы увидим в дальнейшем, у Природы есть и другие способы сдерживать агрессивность вирусов, да и сами вирусы умеют умерять свои аппетиты. Природа устроена очень рационально, нам есть чему у нее поучиться, в том числе у безмозглых вирусов.

Завершая этот раздел, еще раз скажем о том, что мы многое знаем о строении вирусов и о механизме их действия на различные живые организмы. Но при этом многие важные вопросы остаются непроясненными. То есть каждый отдельно взятый ученый считает, что он знает точный ответ, но научное сообщество в целом пребывает в состоянии непрекращающегося спора.

И первый вопрос: являются ли вирусы живыми организмами? Им задавались еще основоположники – Ивановский и Бейеринк, они дали на него диаметрально противоположные ответы, сопроводив их, впрочем, многочисленными оговорками, стершими резкую грань. Вопрос этот философский (в прямом и переносном смысле), поскольку сначала нужно определить, что есть жизнь. Вирусы несут наследственную информацию, они видоизменяются, эволюционируют и подвергаются действию естественного отбора. В этом смысле они ничем не отличаются от живых организмов. С другой стороны, живые существа потребляют из окружающей среды энергию и различные вещества, пьют, едят, дышат, перерабатывают все это и выбрасывают отходы назад в окружающую среду. Никакого подобного метаболизма у вирусов нет и в помине, в своем нативном виде, вне клетки хозяина, они ничем не отличаются от обычных химических веществ – мертвой материи. В общем, ядовитая жидкость, как писал Бейеринк.

Многие ставят во главу угла неспособность вирусов к самостоятельному размножению. Но ведь размножаются! В природе достаточно паразитов, которые могут размножаться только в организме хозяина, а, например, бактерии хламидии, не к ночи будут помянуты, проникают при этом именно в клетки человека, совсем как вирусы. Никто при этом не отрицает, что хламидии – живые организмы. Такими же паразитами являются мужчины, относящие себя к особому, высшему, биологическому виду, ведь они тоже не способны к самостоятельному размножению и вынуждены использовать для этого организм женщины, существа другой биологической природы[47]. Это, конечно, шутка, но она показывает, до какого абсурда можно довести любую дискуссию. По существу, спор о вирусах – бесконечный спор о терминах, и определения типа “вирусы – организмы, стоящие на пороге жизни”, конечно, красивые и образные, но мало что прибавляющие к пониманию проблемы.

Гораздо интереснее вопрос о происхождении вирусов. Помимо того что это просто любопытно, есть и важный для всех нас практический аспект. С тем, что вирусы ежегодно видоизменяются, мы уже смирились, но не может ли вдруг “народиться” какой-то принципиально новый вирус с необычными страшными, естественно, свойствами, как это случилось с вирусом ВИЧ, о существовании которого до 1981 года ученые даже не подозревали, а теперь мы имеем глобальную пандемию?

К сожалению, в этой области царит полная неопределенность. Теорий происхождения вирусов множество, так что я остановлюсь на трех основных.

Согласно первой, вирусы на Земле появились одновременно с одноклеточными организмами. Почему не раньше? А кто бы синтезировал им необходимые комплектующие, ведь сами они на это неспособны. Так что вирусы, может быть, и стоят на пороге жизни, но стоят там уже пару миллиардов лет, не переступая его. Чего нельзя отрицать, так это того, что некоторые вирусы возникли на заре жизни и тогда же обособились от одноклеточных. Дело в том, что некоторые вирусные белки совершенно непохожи на белки живых организмов, а Природа такой расточительности не терпит, все найденные ею удачные решения она бережно хранит и передает по наследству.

Все было бы хорошо, если бы в вирусах присутствовала только РНК – генетический материал первых живых организмов. ДНК появилась на более высоких ступенях эволюции, тогда же, вероятно, возникли и соответствующие вирусы. Согласно “регрессивной” гипотезе, вирусы – продукты де градации бактериальных клеточных паразитов типа тех же хламидий, которые отбросили все лишнее, ненужное для размножения.

Согласно третьей теории, вирусов породили клетки хозяина, грубо говоря, мы сами, своей собственной ДНК. Дело в том, что молекула ДНК не есть нечто застывшее и неизменное, она подвержена непрерывным трансформациям, – фрагменты молекулы, представляющие собой отдельные гены или даже группы генов, меняются местами. Они так и называются – мобильными генетическими элементами или “прыгающими генами”. Такой осколок ДНК вполне может “заблудиться”, облечься в цитоплазме в оболочку из белков и вырваться через клеточную мембрану на волю.

Ни одна из этих теорий не может объяснить всех известных фактов. Вполне вероятно, что всеобъемлющую теорию нельзя создать в принципе. Проблема заключается в том, что для вирусов, в отличие от всего остального живого мира, невозможно построить единую родословную, сходящуюся к общему предку. К примеру, генетики установили, что все мы, люди, в многообразии рас и национальностей, являемся потомками одной женщины, жившей приблизительно 150 тысяч лет назад в Восточной Африке. Конечно, “митохондриальная Ева” – так ее прозвали – появилась не из пены морской, у нее были родители и прочие родственники, но она – ближайший к нам общий предок, именно ее потомки расселились из маленькой африканской деревушки по всей Земле.

Так вот, для вирусов такое древо установить не удается. Они слишком различаются по строению, геному, “поведению”, чтобы можно было провести четкую эволюционную нить от одной группы вирусов к другой. Из этого следует вывод, что они возникали независимо друг от друга, в разных местах и – в разное время. А наше время ничем не лучше и не хуже других…

И еще один вопрос: зачем Природа создала вирусы и пестовала их на протяжении сотен миллионов лет? На него тоже есть множество ответов. Согласно одной из версий, вирусы необходимы как инструмент так называемого горизонтального переноса генов. Природа сама наложила довольно жесткие ограничения на межвидовое скрещивание, так что удачные генетические решения, найденные одним видом, стали недоступны для других. Вирусы позволяют обойти это препятствие. В процессе размножения в одном организме вирус может “прихватить” один из генов хозяина, а затем перенести и внедрить его в ДНК другого организма. Таким образом вирусы способствуют генетическому разнообразию и ускорению эволюции.

Вирусы могут участвовать в эволюционном процессе и напрямую вследствие своей быстрой изменчивости. Можно только предполагать, сколько незадействованных пока Природой генов находится в вирусах, геном которых не расшифрован учеными, а то и вовсе неизвестных им. Вполне возможно, что вирусы – это генетическая кубышка Природы, которую она хранит про черный день.

Вирусы можно рассматривать также как один из инструментов поддержания биологического равновесия в Природе, прореживания слишком расплодившихся видов, угрожающих существованию других. Тут можно было бы сразу перейти к людям, но поговорим сначала о бактериях и микроорганизмах. В океане, например, они составляют более девяноста процентов биомассы, но, дай им волю, они могли бы вытеснить все остальные виды. Вы и сами могли наблюдать это в водоемах с “цветущей” водой. Так вот, роль санитаров водоемов выполняют вирусы, в первую очередь бактериофаги, которые, по оценкам ученых, уничтожают каждый день до двадцати процентов всей биомассы океана. Тем самым они не только сдерживают распространение бактерий, но и ускоряют оборот органических веществ в природе.

Мы рассмотрели научные ответы на поставленный нами вопрос. Есть и ненаучные – например, такой: вирусы – бич Божий. Анализировать такие версии бессмысленно. Я вам лучше расскажу историю открытия одного из таких “бичей”.

Фрэнсис Пейтон Роус родился в Техасе в 1879 году. Его отец умер рано, оставив вдову с тремя маленькими детьми практически без средств к существованию. Тем не менее она переехала на север, в Балтимор, потому что там дети могли получить лучшее образование. (Поразительно, как часто этот сюжет повторяется в биографиях ученых, представленных в нашей книге! Тут есть о чем задуматься.)

В 1900 году Роус окончил Университет Джона Хопкинса и продолжил образование в одноименной Медицинской школе. Тут его подстерегала неприятность: во время проведения практических занятий по аутопсии он поцарапал палец туберкулезной костью, этого хватило для того, чтобы он заболел.

По совету врачей Роус уехал к своему дяде в Техас, где изгонял заразу работой на ранчо от зари до зари и беспробудным сном прямо на земле. Изгнал.

Роус вернулся в Балтимор, окончил школу и стал интерном Госпиталя все того же Джона Хопкинса. Он быстро убедился в том, что “настоящим врачом” ему не стать, поэтому переключился на медицинские исследования и устроился инструктором по патологии в Университет Мичигана. Зарплата была нищенской, но еще хуже было то, что в университете практически не было фондов для научных исследований. Даже на короткую стажировку в госпиталь Дрездена Роус отправился на собственные средства, заработанные в летней школе, где он, помимо преподавания, усердно учил по ночам немецкий – язык науки того времени.

Он был очень упорен и целеустремлен, этот Фрэнсис Пейтон Роус, что не могло не принести своих плодов. Он получил грант Рокфеллеровского института медицинских исследований для самостоятельной работы и уже через год, в 1909-м, сделал главное открытие своей жизни. Роус изучал болезнь, поражавшую домашних кур, – саркому, рак, который является бичом не только людей. Считалось, что болезнь возникает спонтанно. Но Роус показал, что ее можно инициировать, если ввести здоровым цыплятам фильтрат биологической жидкости больных особей. Он использовал фарфоровый фильтр, в фильтрате не было никаких больных клеток, там могли быть только вирусы. Так впервые было установлено, что вирусы способны вызывать раковые заболевания.

Сейчас этот вирус называют вирусом саркомы Роуса. Но в 1911 году, когда вышла статья Роуса, на нее не обратили никакого внимания. Это тем более удивительно, что в те времена публиковалось не так много статей и их все-таки читали. Это в наши дни переварить огромный вал информации стало просто невозможно. Значительная часть, если не большинство статей, публикуемых в научных журналах, не находит ни одного читателя. Из этого отнюдь не следует, что исследование было проведено впустую, а статью не нужно было публиковать. Наука развивается очень извилистыми путями, и невозможно предсказать, что, когда и как аукнется. Случай Роуса подтверждает эту мысль. А также ту, что не только сам исследователь может проглядеть открытие, как это случилось с Туортом, но и другие исследователи могут не заметить открытия, сделанного их коллегой.

Тем более если этот коллега – никому не известный исследователь из страны, находившейся тогда на обочине микробиологии. В течение нескольких лет никому даже в голову не пришло воспроизвести эксперимент Роуса. Впрочем, и у самого исследователя дела в дальнейшем не заладились, он долго и безуспешно пытался выделить вирусный возбудитель рака у мышей, а в 1915 году бросил заниматься опухолями и обратился к другим проблемам физиологической патологии.

Лишь в 1934 году Роус вернулся к раковой тематике. Произошло это отчасти случайно. К нему обратился его молодой коллега по Рокфеллеровскому институту медицинских исследований Ричард Поуп (1901–1966), прославившийся незадолго до этого тем, что впервые выделил вирус гриппа, конкретно – штамм “испанки”, унесшей во время пандемии 1918–1919 годов около ста миллионов жизней (по уточненным современным оценкам). Но в тот момент Поупа интересовал менее глобальный вопрос: являются ли раковыми образованиями бородавки, которые часто встречаются на коже диких кроликов, обитающих на юго-западе США? Этой и похожими проблемами Роус занимался до самой своей смерти, которая последовала в 1970 году, когда ученый перевалил девяностолетнюю отметку.

Между тем параллельно и независимо разворачивались еще две захватывающие истории. Первая – это история его открытия. Пусть не сразу, но оно было признано научным сообществом и стимулировало дальнейшие исследования. Одну из наиболее ярких страниц в их историю вписал Лев Александрович Зильбер[48] (1894–1966). Он стал заниматься проблемами рака в начале 40-х годов, находясь в заключении, в “шарашке”, и ставил эксперименты на мышах и крысах, которых другие заключенные ловили ему за махорку. Там же Зильбер сформулировал основные положения своей вирусной теории рака.

К счастью или нет[49], но эта теория оказалась не всеобъемлющей. Считается доказанным, что многие формы рака у птиц и животных вызываются вирусами. Но применительно к человеку выводы существенно осторожнее. Действительно, обнаружены онковирусы человека, что дало основание специалистам утверждать, что целую группу онкологических заболеваний следует считать в некоторой степени инфекционными. Например, вирус гепатита В может вызывать карциному печени, вирус папилломы человека может вызывать рак шейки матки, а вирус Эпстайна – Барр может вызвать лимфому Беркитта. Характерные оговорки “в некоторой степени” и “может вызывать” отражают как комплексную природу раковых заболеваний, так и неутихающие споры в научном сообществе.

Вторая история связана с присуждением Роусу Нобелевской премии по физиологии и медицине. Впервые его номинировали в 1926 году – нашлись достаточно известные и дальновидные, в обе стороны, люди, которые смогли оценить значение его давней единственной публикации. Номинации продолжали следовать с завидной регулярностью, но получил свою премию Роус лишь в 1966 году, через 55 лет после открытия, – долготерпение, достойное Книги рекордов Гиннесса. Этот рекорд смог повторить только Эрнст Руска (1902–1988), который в 1986 году получил Нобелевскую премию по физике за изобретение электронного микроскопа, сделанное им в 1931 году. Мне почему-то кажется, что первым поздравил Роуса с премией муж его дочери Алан Ходжкин, он не мог не испытывать определенной неловкости и неудобства из-за того, что у него-то Нобелевская премия есть, а у тестя – нет. Вот так счастливо завершилась эта история.

Если о вирусном происхождении рака ученые еще спорят, то в том, что многие болезни, от гриппа до СПИДа, вызываются вирусами, никаких сомнений нет. Возникает вопрос: как с этим бороться? На первый взгляд никак невозможно, ведь вирус сам по себе ничего не потребляет и не синтезирует, в нем не идет никаких жизненных процессов, на которые мы могли бы воздействовать. А как поется в известной песне: “Если вы не живете, то вам и не умирать”. Вирус сам по себе неуязвим для лекарств. Поэтому если уж вы “подцепили” где-то вирус, например, гриппа, то ложитесь в постель под одеяло, пейте горячий чай с лимоном и уповайте на свой организм – потому что природа в отличие от ученых и врачей умеет бороться с вирусами. Пока они гуляют на свободе, она их не трогает, ведь вирусы – это часть природы. Но как только вирус попадает в организм, немедленно активируются специальные механизмы противовирусной защиты, входящие в систему иммунитета. В первую очередь это так называемые антитела – специальные белки, вырабатываемые клетками иммунной системы.

Они гирями виснут на вирусах и подставляют их под удар лимфоцитов-киллеров[50].

Проблема заключается в том, что антитела, как и вирусы, да и почти все в природе, специфичны, то есть могут распознавать только строго определенный вид вирусов. Если их этому не научили заранее, то они не будут видеть “чужака” в упор. Организму нужно время, чтобы идентифицировать неизвестный вирус, разработать новый белок для защиты от него и произвести партию антител. То, что мы называем хорошим (сильным) иммунитетом, это сочетание быстрого распознавания инфекции и создания средств защиты с наработкой такого количества антител, которое достаточно для подавления болезни в зародыше.

Еще одна проблема состоит в том, что антитела, как спецподразделения ГРУ или ЦРУ, имеют право действовать только за границей клетки. Если вирус прорвался через клеточную мембрану, то в дело вступают внутренние войска – интерфероны. Это тоже специальные белки, которые выделяют уже сами клетки в ответ на вторжение вируса. Уничтожить вирус они неспособны, но могут подавить синтез вирусных белков или, в крайнем случае, сборку и выход вирусных частиц за пределы пораженной клетки. Кроме того, интерфероны сразу после вторжения вируса отправляются гонцами к соседним клеткам и предупреждают их об опасности, так что те встречают вирусы во всеоружии. Такая система “раннего оповещения” приводит к неожиданному эффекту, называемому по аналогии с оптикой интерференцией: если вирус попадает в организм, который незадолго до этого уже подвергся атаке другого вируса, то болезнь не развивается, первый вирус как бы препятствует размножению второго. Так что иногда легкая вирусная инфекция оказывается даже благом, потому что “защищает” нас от более серьезного заболевания.

Кстати, интерфероны были открыты именно при изучении этого странного явления. Впервые это сделали в 1954 году японские вирусологи Я. Нагано и Я. Коджима, изучавшие подавление размножения вируса оспы. Но научное сообщество не обратило внимания на их публикацию, по одной из версий потому, что статья была опубликована на непривычном, малораспространенном в науке языке – на французском. Так что приоритет достался сотрудникам Лондонского национального института вирусологии Алику Айзексу и Жану Линденману, опубликовавшим результаты своего независимого исследования в 1957 году. Они же предложили и название – интерферон.

У нашего организма есть еще один вариант защиты от вирусов. Некоторые повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены специальными системами внутреннего клеточного контроля, которые запускают механизм так называемого апоптоза, или программируемой смерти. Понимая, что не может справиться с врагом, клетка совершает самоубийство, жертвуя собой для блага организма в целом и препятствуя таким образом дальнейшему распространению болезни.

Я не случайно использую военную терминологию. В организме при вторжении вируса происходит самая настоящая нановойна: вирусы атакуют ДНК, прорываясь через клеточную мембрану, этому препятствуют белки, все это, подчеркну лишний раз, классические нанообъекты.

Вирусы используют весь арсенал уловок и военных хитростей, известных нам из истории человеческой цивилизации. Они, как диверсанты, могут пробраться в глубокий тыл противника и там затаиться в ожидании времени “Ч”. Глубокий тыл – это ДНК клетки хозяина. Ожидание может занять месяцы, годы, даже много поколений. За это время гены вируса могут претерпеть мутацию и потерять свою патогенность. Они так и останутся в ДНК клетки хозяина, пойдут и в род, и в потомство ненужным балластом. Его доля в нашей ДНК составляет около 95 %, многие ученые полагают, что большая часть этого “мусора” – остатки вирусов, которые наши предки подцепили в ходе эволюции.

Гораздо неприятнее, когда затаившийся диверсант вдруг проявляет себя и приступает к активным действиям. Таков, например, вирус герпеса, который, к сожалению, сидит почти в каждом из нас – по различным оценкам, доля инфицированных вирусом герпеса составляет во всем мире от 65 до 90 %. Живешь не тужишь, но вдруг при небольшом переохлаждении или недостатке витаминов – “лихорадка” на губах или где похуже. Вывести эту заразу до конца не под силу ни Природе, ни врачам, удается только подавить ее внешние проявления в момент обострения.

Вирусы могут отсидеться на нейтральной территории. Такова тактика всех паразитов, помимо целевой аудитории они обычно имеют про запас еще одного хозяина, в организме которого они сохраняются и понемножку размножаются, не нанося ему заметного вреда. Например, вирус лошадиного энцефалита хоронится в птицах, а переносится комарами, для тех и других он безопасен. Возможно, и мы с вами служим носителями чьих-то “чужих” вирусов, но нам это хлопот не добавляет.

Природа вообще устроена очень рационально, каждому овощу – свой фрукт, каждому живому организму – свой вирус. Вирус птичьего гриппа поражает птиц, свиного – свиней. Но иногда в результате мутаций эти вирусы приобретают способность инфицировать и животных других видов, например человека. Конечно, любой взбрык природы неприятен, потому что не сулит ничего хорошего. И реагировать на него надо незамедлительно, в первую очередь ученым. Но без истерии, которую мы наблюдали на протяжении нескольких последних лет на примере “птичьего” и “свиного” гриппов. Ниоткуда не следует, что такой грипп будет опаснее человеческих штаммов. Это, собственно, и подтвердилось на практике: число заболевших гриппом, равно как и умерших от осложнений, вызванных вирусной инфекцией, в год разгула его “свиного” собрата было меньше, чем в предшествующие годы. А сотни миллионов доз вакцин, закупленных органами здравоохранения по всему миру у нескольких компаний-производителей, так и остались невостребованными. Полагаю, что вы с вашим жизненным опытом сами поймете, почему, зачем, кому и сколько, и впредь будете спокойнее относиться к “страшилкам”, несущимся с экрана телевизора.

Вклад в раздувание истерии внесли и ученые своими неопределенными заявлениями и многочисленными оговорками: “с одной стороны, нельзя не заменить, а с другой стороны, нельзя не отметить”. Но ведь ученые тоже люди и им нужны средства для проведения научных исследований, а угроза нашествия неизвестного ранее вируса – прекрасная возможность привлечь внимание власть имущих к проблемам науки. Да и то сказать: вакцину они, как и обещали, создали.

Таким кружным путем мы вернулись к вопросу о том, как бороться с вирусами. В сущности, большая часть из того, что мы сейчас имеем, не является лекарством в обыденном смысле этого слова – оно не убивает вирус напрямую. Вакцина – это учебное пособие для иммунной системы, на основе которого она отрабатывает навыки борьбы с потенциальным врагом. Интерфероны, наиболее эффективные при первых симптомах заболевания, играют роль кнута для организма, мобилизующего его на борьбу с захватчиком[51]. Многие другие широко рекламируемые средства содействуют в той или иной степени лишь “повышению иммунитета” или общего тонуса нашего организма, который борется с вирусами своими методами.

Создать вещество, разрушающее вирус, действительно очень сложно, ведь вирусы состоят из белков и нуклеиновых кислот, которые мало чем отличаются от наших собственных белков и ДНК, так что агент, убивающий вирус, будет, скорее всего, смертельно опасен и для клеток нашего организма. И тем не менее ученые научились использовать имеющиеся тонкие различия и, детально изучив все стадии “жизни” вируса, создали антивирусные препараты.

Первым был ацикловир, средство от герпеса, действующее начало зовиракса, который давно продается в аптеках. Сконструировала его Гертруда Белл Элайон, что дает мне приятный повод рассказать еще об одной ученой даме. Тем более приятный, что Элайон – наш человек, пусть и во втором поколении. Ее отец эмигрировал в США из Литвы, а мать – из России, из зоны оседлости.

Гертруда Элайон родилась в 1918 году в Нью-Йорке во вполне благополучной и обеспеченной семье: ее отец был дантистом, его приемная располагалась в большом помещении на Манхэттене, в котором также жила его семья. Через шесть лет после Гертруды родился ее брат, и вскоре семья перебралась в Бронкс, в то время – вполне респектабельный район. По воспоминаниям самой Гертруды, у нее было счастливое детство и она получила хорошее образование в школе и женском колледже Хантер. Она одинаково успевала по всем предметам, но выбрала занятия наукой, и в частности химией. На решение повлияло то, что дед Гертруды скончался от рака и она мечтала найти средство борьбы с этой болезнью.

К сожалению, она не смогла продолжить образование, потому что материальное положение семьи сильно пошатнулось после Великой депрессии. С работой поначалу тоже не заладилось, потому что в то время женщин в исследовательские институты брали неохотно даже на должности лаборантов. Но Гертруда была готова трудиться бесплатно, единственно ради приобретения опыта. На таких условиях ей удалось пристроиться в одну химическую лабораторию. Там она проработала полтора года, под конец ей даже платили зарплату – целых двадцать долларов в неделю.

В 1939 году ей удалось все же поступить в Университет Нью-Йорка. Гертруда была единственной девушкой на химическом факультете, но в то время это воспринималось как должное, не женское это дело – наука, тем более химия. Все необходимые курсы Гертруда прошла за год и приступила к выполнению дипломной работы. Проблема заключалась в том, что исследованиям она могла уделять только ночи и уик-энды, потому что в остальное время зарабатывала на жизнь, преподавая химию и физику в школе. Но все трудности были преодолены, и в 1941 году Гертруда получила магистерский диплом по химии.

Начавшаяся Вторая мировая война освободила много вакансий в промышленных лабораториях, на которые волей-неволей стали брать женщин. Элайон поработала в одном месте, во втором, пока ей не посчастливилось устроиться ассистентом к Джорджу Хитчингсу в исследовательский центр фармацевтической компании “Wellcome”. Это решило ее судьбу и в определенной мере определило пути развития медицины.Элайон занималась синтезом различных биологически активных соединений. Хитчингс быстро разглядел ее выдающийся талант и всячески способствовал расширению ее научного кругозора. Посещая по вечерам Бруклинский политехнический институт, Элайон освоила биохимию, фармакологию, иммунологию и вирусологию. Но, к слову сказать, диссертации она так и не защитила. По существовавшим правилам ей для этого необходимо было перевестись на очное отделение и оставить работу, а на это Элайон не могла пойти по многим причинам. Главной из которых была та, что она любила свою работу, а работа любила ее, вознаграждая результатом.Именно в те годы был создан ацикловир. Даже с высоты нашего сегодняшнего знания эта работа выглядит гениальной. Элайон под руководством Хитчингса синтезировала довольно простое соединение на основе пурина, которое внешнее чрезвычайно напоминает нуклеозид – строительный блок ДНК. Настолько напоминает, что эта “обманка” вводит в заблуждение даже ферменты, размножающие ДНК вируса в клетке. Они автоматически вставляют эту молекулу в растущую цепь ДНК, и на этом процесс обрывается. Вирус не может размножиться в клетке, он не может “собрать себя сам”, он превращается в груду обломков, которые ферменты клетки постепенно истирают в молекулярную пыль.

Красивая идея, не так ли? Проблема заключалась в том, что, когда исследователи начинали эту работу, они понятия не имели о механизме размножения вирусов, не знали структуру ДНК и даже то, что именно ДНК является носителем генетической информации. Они работали в полном смысле этого слова в потемках, в своих прикладных изысканиях опережая на несколько шагов фундаментальную науку. Это было сочетание гениальной интуиции с огромным трудом.

Помимо ацикловира, первого антивирусного препарата, Элайон разработала меркаптопуринол – первое лекарство от лейкемии, азатиоприн – первый иммуносупрессор, применяемый при трансплантации органов, антималярийный препарат пириметамин, алопуинол для лечения подагры и триметоприм для лечения менингита. Феноменальная научная продуктивность!

В 1988 году Элайон и Хитчингс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Это было справедливо во всех отношениях. Причем все знали, что Элайон не была всего лишь тенью своего шефа; общепризнано, что именно она внесла решающий вклад в создание перечисленных выше лекарств. С 1967 по 1983 год Элайон возглавляла отдел экспериментальной терапии, который представлял собой, по сути, небольшой институт с подразделениями, занимающимися исследованиями в области химии, энзимологии, фармакологии и вирусологии. Успех Элайон зиждился именно на таком комплексном подходе к изучаемым проблемам и на ее собственной высочайшей компетенции во всех перечисленных областях знания.

В краткой автобиографии Гертруда Элайон писала: “По прошествии лет моя работа стала для меня и профессией, и хобби. Я так наслаждалась ею, что не видела нужды отвлекаться от нее для отдыха. Разве что для посещения оперы, балета, концертов и театральных постановок”. А в последние годы Элайон много путешествовала по миру, удовлетворяя свою неуемную любознательность и давнюю страсть к фотографии. Замуж она так и не вышла и жила одной семьей со своим братом, его четырьмя детьми и внуками. Скончалась она в 1999 году, пережив на год Хитчингса.

С открытия ацикловира прошло уже несколько десятилетий, но, к сожалению, успехи науки в деле борьбы с болезнетворными вирусами не столь впечатляющи, как нам всем хотелось бы. Нет, научных публикаций по антивирусным препаратам пруд пруди, уже и к ВИЧ, самому заковыристому из вирусов, подобрались, вот только до аптек, то есть до нас с вами, практически ничего не доходит. Несмотря на то что исследователи невероятно продвинулись в понимании механизма инфицирования и размножения вирусов, создание эффективного антивирусного средства, как, впрочем, и других лекарств, по-прежнему является делом случая и удачи.

Это иллюстрирует пример из практики замечательного российского ученого Марии Николаевны Преображенской, работающей ныне в московском Институте по изысканию новых антибиотиков им. Г.Ф. Гаузе. В конце 1980-х годов в ее лаборатории были синтезированы антибиотики нового поколения, проявляющие высокую цитостатическую (противоопухолевую) активность. Глядя на их строение, которое своей сложностью потрясает даже специалистов, никто и подумать не мог, что они способны проявить антивирусную активность. Проводить же биологические испытания без надежды на успех, как говорится “до кучи”, никто не любит, потому что это отнимает много времени, сил и денег. Так что эти препараты протестировали в значительной мере случайно и неожиданно обнаружили, что один из них, бывший по всем прочим параметрам ничем не лучше и не хуже других, подавляет распространение вируса гриппа. Впоследствии оказалось, что новый препарат останавливает вторжение вируса на самой первой стадии, препятствуя его проникновению в клетку.

Это открытие положило начало новому направлению в вирусологии, которым сейчас активно занимаются во многих лабораториях по всему миру. Впрочем, все пока ограничивается научными публикациями и международным патентом, который М.Н. Преображенская получила еще в 1995 году вместе с ведущим бельгийским вирусологом Эриком де Клерком[52]. Зарубежные фармацевтические компании по каким-то своим соображениям медлят с приобретением лицензии на патент – необходимой стадии для проведения полномасштабных клинических испытаний. А в нашей стране это вообще никого не интересует, ведь вся инфраструктура фармацевтических исследований и производства была до основания разрушена в 90-е годы.

Но не будем о грустном, о разрухе и болезнях. Вирусы предоставляют нам множество позитивной информации, ведь они только в одной из своих ипостасей – яд, зато в других оказываются чрезвычайно полезными. Об их положительной роли в природе я уже писал выше, теперь рассмотрим, как их используют для своих нужд ученые.

В первую очередь вирусы для ученых – это одновременно модель и инструмент научных исследований. Расскажу лишь одну историю. Из главы, посвященной ДНК, мы помним, что первое убедительное доказательство того, что именно ДНК служит хранилищем генетической информации, было получено в 1944 году в экспериментах по трансформации бактерий. Пришло время сказать правду: это доказательство убедило далеко не всех, вплоть до 1952 года многие специалисты продолжали считать, что наследственная информация передается белками. Переубедил их эксперимент с вирусами, ставший классикой биологии. Его выполнили американский генетик Альфред Херши (1908–1997), будущий лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1969 г.) и его молодая ассистентка Марта Чейз (1927–2003)[53].

Эксперимент чрезвычайно изящен. Исследователи получили бактериофаги, белковые оболочки которых были помечены радиоактивным изотопом серы, а содержащаяся в них ДНК – радиоактивным изотопом фосфора. С помощью этих меток удалось доказать, что при атаке бактериофага внутрь бактерии попадает только ДНК, а белковый контейнер остается снаружи. Именно ДНК запускает внутри бактерий синтез всех компонентов будущих частиц вируса, включая синтез белков.

Помимо этого, ученые приспособили вирусы для решения практических задач, прежде всего в генной инженерии. Опять же из главы, посвященной ДНК, мы помним, что генная инженерия родилась в 1972 году, когда Пол Берг собрал первую рекомбинантную ДНК, содержащую фрагменты ДНК вируса SV40 и бактерии E.coli. Вирусы в этом случае использовались исключительно как удобная модель. Несколькими годами позже Бойер синтезировал рекомбинантную ДНК с геном человека, ответственным за синтез инсулина, и внедрил его в бактерию. Это была уже технология. Но для внедрения гена в бактерию вирус не требуется, это можно сделать гораздо проще. Другое дело – клетки высших организмов, тут не обойтись без вирусов с их всепроникающей способностью и умением внедрять свой геном в ДНК клетки-хозяина, отточенными до совершенства за миллиарды лет эволюции.

Поразительно, но первое исследование в этой области было выполнено практически одновременно с описанной выше работой. Эта история началась в 1973 году, когда тридцатилетний немецкий биолог Рудольф Яниш приехал на стажировку в Принстонский университет (США). Его интересовал вопрос, который не давал покоя ученым на протяжении уже нескольких десятилетий: почему при заражении взрослых мышей различными вирусами развиваются только определенные формы рака? Для проверки некоторых своих предположений Яниш решил заразить вирусом SV40[54] эмбрионы мышей на самой ранней стадии развития и посмотреть, что из этого выйдет и будут ли у выросших особей появляться опухоли. Поэтому он обратился за помощью и руководством к Беатрис Минц, признанному специалисту в области мышиных эмбрионов. После года экспериментов им удалось доказать, что ДНК вируса внедряется в геном эмбриона и передается по наследству. Сам факт внедрения ДНК вируса в геном млекопитающего был открытием. Но я хочу подчеркнуть другое: в сущности, Минц и Яниш получили первое генетически модифицированное животное. Случилось это почти одновременно с получением первой генетически модифицированной бактерии и намного раньше получения первого генетически модифицированного растения.

То, что Яниш внедрил в организм млекопитающего потенциальный онкоген, не имеет никакого значения. Тут дело принципа. Лиха беда начало.

Ученые научились вырезать из ДНК вирусов все вредные гены и вставлять на их место полезные, например здоровые человеческие гены, и с помощью вирусов переносить их в клетки нашего организма. Это, как вы уже догадались, путь к генной терапии. Но об этом – в главе, посвященной адресной доставке лекарств, – “Волшебная Пуля”.

И, наконец, ученые научились создавать вирусы, как говорится, с нуля, из обычных химических веществ[55]. Работы в этой области начались более десяти лет назад, когда техника автоматизированного синтеза олигонуклеотидов и их копирования достигла такого уровня, что появилась возможность собрать “молекулу жизни” – ДНК, из элементарных строительных блоков. Выбор, естественно, пал на вирусы с их самым коротким геномом, расшифрованным к тому же от первой до последней “буквы”. Тон исследованиям задавал Институт Вентера. Его сотрудники синтезировали геном бактериофага ФХ-174 длиной в пять тысяч пар нуклеотидов и ввели его в клетку бактерии. Однако фаг “отказывался” там работать и не запускал сборку новых вирусных частиц.

Результат был обескураживающим. Но, с другой стороны, откуда вообще следует, что синтетическая ДНК будет вести себя точно так же, как природная? Возможно, для ее правильной работы недостаточно точной последовательности нуклеотидов? Ведь у белков, например, последовательность аминокислот задает лишь первичную структуру белка, который становится собственно белком лишь на более высоких стадиях самоорганизации. Впору было вспомнить о “жизненной силе”, без которой, по уверению теологов и даже некоторых “исследователей”, функционирование живых систем невозможно.

Похожая ситуация существовала в химии два века назад. Тогда господствовало убеждение, что органические вещества – продукт жизнедеятельности живых организмов, химики могут заниматься лишь превращениями органических веществ, но синтезировать их из неорганических веществ невозможно. Лишь в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882) синтезировал органическое вещество мочевину из неорганических сульфата аммония и цианата калия, нанеся первый удар по теории витализма.

Результатам группы Крейга Вентера удалось найти рациональное объяснение: просто в синтез вкралась небольшая ошибка, несколько неправильно поставленных нуклеотидов. После исправления ошибок синтетический геном заработал как надо! Но на этом повороте Вентера обошел Экарт Уиммер из Университета Стони Брук, штат Нью-Йорк. В 2002 году он опубликовал работу по синтезу вируса полиомиелита из органических реактивов. Синтетические вирусные частицы оказались совершенно неотличимы от естественных по всем параметрам – размеру, поведению, заразности. Эта работа принесла Уиммеру приоритет в создании синтетических вирусов и, полагаю, чувство глубокого морального удовлетворения: обставить Крейга Вентера, великого и ужасного, дорогого стоит.

Замечу, что непосредственно синтез молекулы ДНК, состоящей из 7741 пары нуклеотидов, занял у группы Уиммера три года. В настоящее время скорость машинной сборки ДНК увеличилась в десятки раз, что дало возможность получить множество синтетических вирусов.Процесс их получения отражает квинтэссенцию нанотехнологий – технологий будущего. Мы синтезируем некий шаблон (молекулу ДНК, можно в единственном экземпляре), затем размножаем его (в случае вирусов роль копировального аппарата играют бактерии), при необходимости используем его как матрицу для получения других частиц (в случае вирусов – белков), а затем создаем условия, при которых полученные частицы самоорганизуются – формируют требуемый нам материал или целое устройство.Это глава по объему уступает только предыдущей главе о ДНК. Ничего удивительного, ведь вирусы касаются всех и каждого. Кроме того, по своему размеру и численности они занимают центральное место в природе. Они все без исключения представляют собой сложно организованные объекты наноразмеров, составленные из молекул ДНК и белков, имеющих в свою очередь наноразмеры. Все данные о строении и функционировании вирусов, полученные учеными с момента их открытия Д.И. Ивановским в 1892 году, являются неотъемлемой частью нанонауки и одновременно фундаментом для прогресса нанотехнологий.