Тайна жизни

Как вы уже поняли, в последнее время ученые значительно продвинулись в разрешении многочисленных загадок обманчиво простой клеточной мембраны. Но в самых общих чертах ее функции были известны еще двадцать лет назад. Собственно говоря, именно тогда я впервые осознал, что изучение клеточной мембраны имеет далеко идущие последствия. Озарение, которое на меня снизошло, можно сравнить с реакцией перенасыщенного химического раствора. Такие растворы выглядят как обычная вода, но стоит добавить в емкость хотя бы крупинку растворяемого вещества, и оно все целиком выпадает на дно емкости в виде огромного кристалла.

В 1985 году я жил в съемном доме на просоленном карибском острове Гренада и преподавал в тамошней «офшорной» медицинской школе. Было два часа ночи. Я перелопачивал свои многолетние записи по биологии, химии и физике клеточной мембраны, освежая в памяти ее механику и стараясь вникнуть в то, как она обрабатывает информацию. И внезапно на меня снизошло! Нет, я не превратился в кристалл. Я в одночасье стал биологом-«мембрано-центристом», у которого нет морального права растрачивать свою жизнь попусту.

Той ночью я как будто впервые взглянул на основу структурной организации клеточной мембраны — выстроившиеся в ряд, как солдаты на параде, фосфолипидные молекулы. Структуру, молекулы которой организованы регулярным, повторяющимся образом, принято называть кристаллической. Существует два основных типа кристаллов. Те, что знакомы большинству людей, представляют собой твердые, неподатливые минералы — к ним относятся алмазы, рубины и даже обычная соль. Кристаллы второго типа, несмотря на то что их молекулы тоже соединены в регулярную структуру, имеют скорее текучую консистенцию. Хорошо знакомые примеры жидких кристаллов — индикатор электронных часов и экран компьютера-ноутбука.

Чтобы лучше разобраться в том, что представляют собой жидкие кристаллы, вернемся к нашему сравнению с солдатами на параде. Когда марширующие солдаты поворачивают за угол, они сохраняют общий строй, несмотря на то что каждый из них движется индивидуально. Солдаты в строю ведут себя подобно текущей жидкости, но не утрачивают при этом своей «кристаллической» организации. Фосфолипидные молекулы клеточной мембраны ведут себя схожим образом. Их подвижная кристаллическая организация позволяет клеточной мембране динамически менять форму, сохраняя при этом свою целостность. Вот почему мембранный барьер обладает гибкостью. Я записал определение этой характеристики клеточной мембраны: «Мембрана — жидкий кристалл».

Затем я стал думать дальше. Мембрана, состоящая из одних только фосфолипидов, — это аналог хлеба с маслом, без оливок. Но тогда, если следовать логике описанного выше опыта с подкрашенной жидкостью и бутербродом, масляный (липидный) барьерный слой мембраны был бы абсолютно непроницаемым — непроводящим. Мембрана становится проводящей для одних веществ и непроводящей для других, когда в игру вступают «оливки» — интегральные мембранные белки. Я написал: «Мембрана — полупроводник».

Потом я вспомнил про две наиболее распространенные разновидности интегральных мембранных белков. Таковыми являются белки-рецепторы и белки-эффекторы, называемые канальными; именно они позволяют мембране выполнять свою важнейшую функцию — пропускать внутрь клетки питательные вещества и выпускать наружу шлаки. Я уже готов был написать, что мембрана содержит «рецепторы и каналы», но тут до меня дошло, что рецепторы в данном случае — это, по сути, вентили. Соответственно, я закончил свое описание мембраны фразой: «Мембрана содержит вентили и каналы».

Я откинулся на спинку кресла и перечитал то, что у меня получилось: «Мембрана — это жидкокристаллический полупроводник, содержащий вентили и каналы». Эта фраза как будто меня ударила. Определенно, я уже слышал или читал нечто подобное. Но где именно? Впрочем, в одном я был абсолютно уверен: там говорилось отнюдь не о биологии.

Я стал осматриваться и взглянул на угол письменного стола, где возвышался новенький «Макинтош» — мой первый персональный компьютер. Рядом с «Макинтошем» лежала ярко-красная книжка; заголовок на ее обложке гласил: «Как работает ваш компьютер». Это было купленное мною на днях справочное руководство для пользователей. Схватив книжку, я пробежал глазами введение и почти сразу наткнулся на определение: «Микрочип — это полупроводниковый кристалл с электрическими вентилями и каналами».

Пару секунд я сидел, огорошенный столь невероятным совпадением. Затем я стал лихорадочно сопоставлять и противопоставлять клеточные мембраны и кремниевые полупроводники. Скоро мне стало ясно, что сходство определений компьютерного чипа и клеточной мембраны не случайно! Клеточная мембрана в самом деле гомологична кремниевой микросхеме, то есть — представляет собой ее структурный и функциональный эквивалент! Вот это был уже настоящий шок.

Двенадцать лет спустя коллектив австралийских исследователей, возглавляемый Б. А. Корнеллом, опубликовал в журнале «Нэйчур» статью, которая подтвердила мою гипотезу гомологичности клеточной мембраны и компьютерного чипа [Cornell, et al, 1997]. Они выделили клеточную мембрану, присоединили к ней снизу кусочек золотой фольги и заполнили пространство между мембраной и фольгой электролитическим раствором. При стимуляции соответствующим электрическим сигналом мембранные каналы открывались и позволяли электролиту пройти сквозь мембрану. При этом фольга играла роль датчика, благодаря которому электрическая активность мембранных каналов могла быть измерена и отображена в виде показаний цифрового прибора. Иными словами, Корнеллу и его коллегам удалось встроить биологическую клеточную мембрану в электронное устройство с цифровой индикацией в качестве чипа.

Ну и что? — спросите вы. А то, что гомологичность клеточной мембраны и компьютерного чипа доказывает правомерность сравнения живой клетки с персональным компьютером. Первая сногсшибательная мысль, которая при этом приходит в голову, такова: клетки, подобно компьютерам, программируемы! И так же как и в случае с компьютером, их «программист» находится снаружи. Поведение и генная активность клетки динамически обусловлены информацией, поступающей из окружающей среды.

Как только в моем воображении возник клеточный биокомпьютер, я понял, что ядро клетки — это своего рода «съемный диск» (назовем его Двуспиральным Диском) — носитель информации, на котором записаны ДНК-программы, кодирующие производство белков. Записанные на съемном диске программы — текстовые редакторы, графические редакторы, электронные таблицы и тому подобное — вы можете загрузить в память своего домашнего компьютера и затем извлечь его безо всякого ущерба для работы.

Точно так же, когда вы удаляете из клетки ядро — ее Двуспиральный Диск, работа белковой машины клетки продолжается как ни в чем не бывало, поскольку информация, необходимая для создания белков, уже была загружена. Энуклеированные клетки сталкиваются с трудностями только тогда, когда у них возникает необходимость в генных программах с извлеченного Двуспирального Диска, позволяющих им заменить имеющиеся белки или синтезировать новые.

Полученное мной биологическое образование было не менее «ядроцентристским», чем геоцентристское астрономическое образование Коперника. Поэтому мне потребовалось определенное усилие, чтобы осознать: «центральным процессором» клетки является отнюдь не ядро, в котором содержатся гены. Данные вводятся в клеточный «компьютер» через посредство мембранных белковрецепторов — клеточной «клавиатуры», а они, в свою очередь, приводят в действие мембранные белкиэффекторы, которые и играют роль «центрального процессора». Этот «центральный процессор» преобразует информацию, поступающую из окружающей среды, в язык поведения клетки.

Меня охватило отчаяние — мне не с кем было разделить свой восторг. В моем доме отсутствовал телефон. Но ведь я — преподаватель медицинской школы. Наверняка в это время в библиотеке отыщется кто-нибудь из студентов. Кое-как одевшись, я побежал в сторону школы', чтобы рассказать кому-нибудь — ну хоть кому-нибудь! — о своем великом озарении.

Представляю, как я выглядел, когда появился в помещении библиотеки — запыхавшийся, с вытаращенными глазами. Думаю, те, кто там был, узрели живое воплощение пресловутого «рассеянного профессора». Я подбежал к одному из первокурсников-медиков и воскликнул: «Только послушай, что я сейчас скажу! Что-то невероятное!» Помню, как парень от меня отшатнулся. Это меня не остановило. Я принялся втолковывать ему свои новые представления о клетке обычным для цитобиологов мудреным жаргоном. Затем я умолк, ожидая то ли его поздравлений, то ли криков «браво». Мальчишка сидел с открытым ртом. «С вами все в порядке, доктор Липтон?» — только и смог выговорить он.

Я был уничтожен. У меня в руках ключ к тайне жизни, но все мои объяснения пошли прахом! Уже потом, задним числом я понял — этот бедолага студент, едва отучившийся первый семестр, попросту не мог разобраться в том, что я говорил ему с таким пафосом. Впрочем, должен признать, что я не имел особого успеха и у большинства своих коллег, вполне поднаторевших в зубодробительной терминологии.

В течение последующих лет я продолжал свои исследования и постепенно научился излагать собственные идеи так, что их могли воспринять не только студенты-первокурсники, но и люди в принципе далекие от биологии. У меня появились благодарные слушатели — как среди специалистов, так и среди непрофессионалов. Некоторые из них даже оказались воеприимчивыми к проистекавшим из моего озарения духовным идеям. В самом деле, «мембраноцентрическая» биология — это великолепно, но вряд ли бы она заставила меня с криками нестись в библиотеку. Та карибская ночь не только преобразила меня как ученого; благодаря ей я, убежденный агностик, превратился в мистика, верящего в то, что жизнь вечна и не ограничивается сроками существования нашего бренного тела.

О духовном измерении излагаемой здесь истории я расскажу в эпилоге, а пока хочу еще раз повторить урок волшебницы-мембраны: мы не рабы комбинации генетических игральных костей, случайно выпавшей нам при рождении. Мы способны редактировать данные, вводимые в наш биокомпьютер, точно так же, как я сейчас управляю работой программы-редактора, в которой пишу эти строки. Стоит нам понять, как интегральные мембранные белки управляют нашей физиологией, и мы из беспомощных жертв своих генов станем хозяевами собственной судьбы!