В молекуле от безумия. Истории о том, как ломается мозг - Сара Мэннинг Пескин

«Эта болезнь может закончиться на вас», – сказал он своим троим детям, и в голосе его звучало облегчение и смирение. Обретение власти над семейной болезнью стало для Рассела вопросом выживания. Он посоветовал детям прибегнуть к ЭКО, когда они соберутся завести собственных детей. Врачи соединят сперматозоиды и яйцеклетки в лаборатории и проверят каждый из получившихся эмбрионов на наличие мутации GRN. Для создания потомства будут использованы только те эмбрионы, у которых нет этой мутации[59]. Воспользовавшись этой технологией, его дети смогут иметь биологических детей, не опасаясь того, что те унаследуют мутацию, убившую их деда. Так их род сможет освободиться от этой болезни.

Возможно, лечение, которое поможет Расселу, скоро будет найдено. Врачи считают, что лобно-височная деменция развивается у людей с мутациями GRN из-за того, что их клетки вырабатывают меньшее количество одного важного белка по сравнению с нормальными клетками. Для решения этой проблемы были созданы препараты, увеличивающие выработку нужного белка или предохраняющие этот белок от разрушения. Такой подход сродни увеличению капитала одним из двух способов: либо напечатать больше денег, либо перестать их тратить. В настоящее время эти лекарства проходят испытания на людях, и мы пока не знаем, будут ли они работать. Но Рассел Гудман не теряет надежды.

Часть II. Мятежные молекулы белка

В нашей повседневной жизни белки, они же протеины, – это что-то из области питания. Заглянув на кухню, вы можете легко узнать количество белков в хлопьях для завтрака, тунце и любом другом продукте – подробная информация о содержании питательных веществ обычно указана на боковой стороне упаковки. Когда мы употребляем в пищу белки, наше тело разделяет их на составные части, из которых затем собирает новые белки, необходимые клеткам. Мы строим эти белки, чтобы выжить, они необходимы для нашего существования – но они также и способны вывести из строя мозг.

История белков началась почти за 100 лет до открытия ДНК в одной парижской лаборатории, где химик по имени Антуан Франсуа де Фуркруа аккуратно нагревал образцы тканей мертвых животных или подвергал их воздействию кислот, в то время как за окном бушевала Французская революция[60]. Фуркруа был советником Наполеона и одним из самых дерзких исследователей человеческого мозга той эпохи – он был известен тем, что добывал человеческие органы для своей работы, раскапывая могилы[61].

Однако к открытию белка Фуркруа в конечном счете привели именно опыты над животными. За несколько лет он научился выделять из останков животных три вещества: альбумин, фибрин и желатин[62]. Альбумин был плотным белым веществом, получавшимся при нагревании яичного белка, фибрин – тягучей субстанцией, которая образовывалась в свернувшейся крови и в мышцах, а желатин – кашеобразной массой, возникавшей при вываривании сухожилий[63]. Каждое из этих трех веществ Фуркруа получил из разных частей тел животных, но заметил в них кое-что общее: все они содержали азот.

В то время мало кто из ученых обратил внимание на это открытие. Возможно, потому, что сложно оценить значение маленьких научных достижений, когда миром правят мушкеты, гильотины и революция. Фуркруа переключился на другие задачи, такие как создание метрической системы и расширение периодической таблицы. После стремительной карьеры в науке и политике он неожиданно скончался в возрасте 45 лет[64]. Ходили слухи, что он был так разочарован, не получив желаемого продвижения по службе, что это ускорило его смерть.

Первые шаги в изучении белков практически никуда не привели, но спустя полвека молодой голландский ученый по имени Геррит Ян Мульдер продолжил путь с того места, где остановился Фуркруа. Мульдер был перспективным ученым, занимавшимся пищевыми технологиями, который впоследствии обрел большую популярность среди любителей пива за открытие химических секретов пивоварения. Обратившись к старым записям Фуркруа, Мульдер нашел нечто гораздо более универсальное. Он открыл субстанцию, объединяющую все живые существа.

Следуя протоколам Фуркруа, Мульдер получил собственные образцы альбумина, фибрина и желатина. Еще он научился извлекать аналогичную субстанцию из пшеницы, так что теперь в его распоряжении были вещества, полученные как из животных, так и из растений. Развивая и углубляя работу Фуркруа, Мульдер определил, какие еще атомы, помимо азота, содержались во всех четырех образцах. Он ожидал, что каждый образец будет состоять из уникальной комбинации атомов, поскольку, как он рассуждал, все они были получены из разных источников.

Результат оказался прямо противоположным. Альбумин, фибрин, желатин и экстракт пшеницы, то есть вещества, полученные из совершенно разных источников, состояли из атомов азота, кислорода, водорода и углерода примерно в одинаковом соотношении. На молекулярном уровне все эти экстракты были, по сути, одинаковы. Мульдер обнаружил, что млекопитающие, птицы и растения по какой-то причине содержат одинаковые молекулы.

Окрыленный и одновременно озадаченный, Мульдер написал письмо наставнику, Якобу Берцелиусу, описав свое открытие. Берцелиус пользовался большим авторитетом среди химиков того времени: он открыл два химических элемента и изобрел систему буквенных символов химических элементов, которая используется до сих пор. Прочитав письмо Мульдера, Берцелиус был так же поражен его результатами. Он понимал, что, если эти данные верны, значит, в основе всех живых существ лежит одна единая субстанция. Письмо, которое он написал в ответ Мульдеру, изменило всю сферу биологии, впервые дав название молекуле, присутствующей в таком многообразии организмов. Берцелиус предложил название «протеин»[65], образовав его от греческого слова πρῶτος, что значит «первый», поскольку вещество, открытое Мульдером, несомненно являлось «изначальной или первобытной субстанцией».

Опираясь на данные Мульдера, Берцелиус пошел немного дальше и предложил модель, по которой могло возникнуть такое молекулярное единство. Он выдвинул идею, что белки появились в растениях, которые затем стали пищей травоядных животных, а те в свою очередь были съедены плотоядными животными, и таким образом весь растительный и животный мир объединила одна общая молекула. Эта мысль была не совсем верной, однако в наши дни она получила новое развитие: в 2017 году ученые сделали предположение, что жизнь на Земле зародилась именно благодаря белкам, а не молекулам, подобным ДНК[66].

Через несколько десятилетий после того, как Мульдер опубликовал свои результаты, научный мир пришел к пониманию, что белки представляют собой гигантские молекулы, состоящие из строительных блоков, аминокислот, соединенных между собой, как будто нанизанных на одну нить, и свернутых в трехмерные фигуры. В центре каждой аминокислоты находятся атомы азота, кислорода, водорода и углерода в одинаковом порядке – в этом была суть химического открытия, сделанного Мульдером в 1880-е годы. От этой идентичной сердцевины ответвляются очень разные «боковые цепи», которые и определяют каждую отдельную аминокислоту. Все вместе напоминает браслет с шармами, где в каждом фрагменте присутствуют одинаковые элементы, к которым крепятся разные структуры.

Ученые называют молекулы белка «природными роботами»[67]. Эти молекулы способны разрезать, поглощать и видоизменять другие молекулы. Они обеспечивают поддержание структуры: и сохраняют форму клетки, и участвуют в удивительном активном процессе деления одной клетки на две. Они указывают, где у развивающегося эмбриона будут расти пальцы, и они же определяют время начала родовой деятельности. Даже структура волос – будут ли они вьющимися или прямыми – определяется молекулами белка. Масса белка в клетках настолько велика, что если из человеческого тела убрать всю воду, то белки составят почти половину оставшихся молекул[68].

Молекулы белка очень многочисленны и разносторонни, но они могут быть и буйными. Они способны поднять мятеж. Белок, предназначенный для транспортировки витаминов, может вместо этого внедриться в стенки сердца и сделать этот орган настолько жестким, что он не сможет сокращаться с силой, необходимой для циркуляции крови по всему телу. Тот же самый белок может привести к отеку печени или к тому, что почки перестанут вырабатывать мочу.

Белки, наносящие вред организму, становятся особенно опасны,