Истории ДНК могут быть запутанными. Традиционные генетические исследования искали вариант ДНК, связанный с определенным заболеванием. Иногда все просто: мутации в гене, ответственном за фактор свертывания крови, вызывают наследственное заболевание – гемофилию, которую иногда называют королевской болезнью, поскольку она широко распространена в европейских королевских семьях.

Однако зачастую эти корреляции рассказывают сложную историю. Когда дело доходит до распространенных заболеваний головного мозга, таких как шизофрения и болезнь Альцгеймера, огромный объем информации поступает в результате полногеномного поиска ассоциаций (GWAS), в котором исследователи стремятся сравнить генетические последовательности тысяч людей с определенным признаком. Хорошей новостью является то, что сотни геномных регионов могут быть связаны с риском развития заболевания головного мозга у человека. Но иногда это триумф данных над пониманием. Объяснение того, почему спектр генетических вариантов влияет на здоровье, остается сложной задачей[59]. Даже если мы действительно связываем варианты с заболеванием, исследования диабета, например, показали, что на генетику приходится только около 10 % различий, наблюдаемых при заболевании, а остальное зависит от образа жизни и питания[60].

Сопоставление данных о генотипе с фенотипом осложняется тем фактом, что количество наших генов значительно превосходит количество белков. Гены можно перетасовать и использовать разными способами. Способность каждого гена кодировать множество белков обусловлена процессом, известным как альтернативный сплайсинг, при котором биты кода, называемые интронами, соединяются, а оставшиеся части гена, известные как экзоны, при создании белка могут включаться или бездействовать. Теоретически из одного гена можно получить до 100 белков[61].

Даже при кодировании участков ДНК не существует прямого соответствия между линейным кодом ДНК и трехмерной формой белков в организме, что имеет решающее значение для их работы – например, для ускорения клеточной химической реакции. Для белка, содержащего всего 100 аминокислот, число альтернативных структур, которые он может принять в водной среде клетки, колеблется где-то между 2¹⁰⁰ и 10¹⁰⁰ возможных конформаций (форм). Изучение каждой из них заняло бы вечность, но этот одномерный код приобретает правильную трехмерную форму (что имеет решающее значение для его работы) с помощью различных видов поддержки.

Одним из способов принятия правильной формы является непрерывное движение молекул в клетках, вызванное тепловой энергией. Многие из жизненно важных компонентов живой клетки достаточно малы, чтобы подвергаться постоянным ударам моря окружающих молекул (броуновское движение), что может помочь белку принять наиболее стабильную форму, даже если количество возможных стабильных конфигураций варьируется от миллионов до триллионов[62]. Кроме того, существует множество механизмов точной настройки того, как организм интерпретирует генетические данные и превращает их в белки.

Некоторые из способов, помогающие белкам сворачиваться в наших клетках, можно найти в замечательной молекулярной машине, называемой рибосомой, состоящей из примерно полумиллиона атомов и размером около одной миллионной дюйма в поперечнике. Эта машина лежит в центре двух эпох жизни на Земле: одной – знакомой, а другой – окутанной тайной. Первая состоит из сегодняшних живых существ, основанных на ДНК, а вторая отражает самые первые существа, которые делились и, как предполагается, основывались на РНК – тонком, но гибком виде генетического материала, который не только хранит информацию, но, в отличие от ДНК, также может катализировать химические реакции. Действительно, рибосома – это рибозим, фермент, состоящий из РНК, свернутой в сложную структуру.

Загляните глубоко внутрь рибосомы, как это сделали структурные биологи, и вы увидите древнее ядро, которое превращало инструкции в белки для построения живых существ на протяжении большей части четырех миллиардов лет. Там вокруг центрального механизма РНК, чтобы отточить его работу, развилась белковая оболочка, различная в зависимости от существа: например, наши рибосомы почти в два раза больше, чем у насекомых, которые нас заражают.

Для работы рибосомы необходимы различные ингредиенты: во-первых, молекула матричной РНК, которая несет в себе инструкции по созданию белка из ДНК. Чтобы превратить этот код в белок, рибосома использует второй тип РНК – транспортную, которая несет в себе строительные блоки белков, называемые аминокислотами.

Сейчас мы знаем атомные детали того, как рибосома превращает данные ДНК в плоть и кости, благодаря получившим Нобелевскую премию рентгеновским исследованиям Венки Рамакришнана в Великобритании, Ады Йонат в Израиле и Томаса Стейца в США. Они обнаружили, что рибосома состоит из трех разных молекул РНК и более 50 различных белков, разделенных на два компонента (60S/40S в наших клетках и 50S/30S у бактерий). Один из них – «мозг», считывающий генетический код, а другой – большое «сердце», производящее белок (рис. 8). Они расходятся и объединяются по мере того, как молекулярные связи создаются и разрушаются, производя белки, которые строят тело и управляют им.

Рисунок 8. Рибосома (Венки Рамакришнан, Mrc LMB)

Подобные детальные исследования показывают, что перевод генетических данных в белок – сложное явление. Этот процесс, известный как экспрессия генов, начинается с того, что информация, содержащаяся в генах (ДНК), превращается в информационную РНК (которая также состоит из четырех «букв» – химических веществ, называемых основаниями – на основе инструкций в ДНК, хотя в РНК основание урацил U заменяет тимин Т). Рибосома, как перфолента, считывает по три буквы информационной РНК и сопоставляет ее с тремя буквами транспортной РНК, выстраивая аминокислоты, которые они несут, в правильном порядке, а затем сшивает их вместе. В целом рибосома пропускает через свое ядро насыщенные аминокислотами РНК со скоростью 15 раз в секунду, связывая их вместе в белки[63].

Однако критически важно то, что в итоговой конфигурации, принимаемой белком, ключевую роль снова играет окружающая среда. Гуннар фон Хейне из Стокгольмского университета рассказал нам, как рибосома помогает придавать белкам форму. Этот процесс, известный как котрансляционное сворачивание, начинается в выходном туннеле этой великой молекулярной машины, в которой есть укромные уголки и щели[64]. Притяжения и изменения обеспечиваются стыковочными участками в выходном туннеле, которые прикрепляются к определенным частям зарождающихся белков, в зависимости от последовательности аминокислот[65]. Существуют также белки-шапероны, которые помогают многим белкам принимать форму. Несколько разных шаперонов скрываются в устье выходного туннеля, остальные – за пределами рибосомы. Различные механизмы контроля качества отторгают и разрушают неправильно свернутые белки, прежде чем они достигнут гудящего химического хаоса клетки.

В целом от одномерного кода к трехмерному белковому строительному блоку тела нас ведет поразительно сложная серия шагов. Тем не менее во время своей речи на вручении Нобелевской премии по химии 1972 г. Кристиан Анфинсен сделал смелое заявление, постулировав, что аминокислотная последовательность белка должна полностью определять его структуру в растворе. Это предположение стало грандиозным вызовом биологии: можем ли мы определить трехмерную структуру белка по его одномерной аминокислотной последовательности?

Масштаб этой проблемы обрисовал Сайрус Левинталь, американский молекулярный биолог, который был пионером в компьютерном графическом отображении белковых структур. Он отметил, что для определения вероятных конфигураций типичного белка путем грубого расчета (то есть путем тестирования каждой возможной формы, которую он может принять) потребуется больше времени, чем возраст известной Вселенной. Левинталь подсчитал, что существует 10³⁰⁰ возможных конформаций типичного белка, и почти парадоксально, что клетка может «разработать» функциональную версию гораздо быстрее, чем компьютер. Однако в четвертой главе мы описываем, как ИИ догнал клеточную реальность. Когда дело доходит до виртуального человека, этот подвиг может дать много подсказок (например, когда белки принимают неправильную форму, вызывающую болезнь) и помочь провести виртуальные испытания лекарств для поиска возможных методов лечения.