Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Структура многих других катализаторов, в частности окиси алюминия, введенной в практику катализа Ипатьевым, не столь совершенна, как у цеолитов, но общий принцип сохраняется: все они обладают развитой поверхностью и разветвленной системой пор нанометровых размеров.

Но приставка нано “возникает” в катализе не только благодаря порам. Еще один важнейший класс промышленных катализаторов – так называемые нанесенные металлические катализаторы, в которых металл пребывает в виде наночастиц. Об этом стоит рассказать подробнее, потому что этот пример прекрасно иллюстрирует, каким извилистым путем меняются представления и предпочтения в науке и технологии.

Пальму первенства в открытии каталитических свойств металлов традиционно отдают немецкому химику Иоганну Вольфгангу Дёберейнеру (1780–1848), который в 1821 году получил уксусную кислоту окислением этилового спирта в присутствии платины. Сбраживание вина в уксус – классический пример биотехнологий , осуществляемых природными катализаторами – ферментами. Дёберейнер впервые получил его чисто химическим путем. Парадоксально, но формально металлы как катализаторы были открыты позже ферментов.

Еще через два года Дёберейнер обнаружил явление воспламенения струи водорода, направленной на так называемую губчатую платину, которая выступала в качестве катализатора окисления водорода кислородом воздуха с образованием воды. Реакция эта протекает с выделением большого количества тепла, за счет которого и происходит воспламенение водорода. Открытие немедленно нашло практическое воплощение в “водородном огниве” – устройстве, применявшемся для получения огня до изобретения спичек.

Впрочем, это было едва ли не единственным практическим приложением металлических катализаторов на протяжении нескольких десятилетий. В науке же шло постепенное накопление данных о свойствах и природе каталитического действия металлических катализаторов. Следующий прорыв в этой области связан с именем Поля Сабатье, который в первые годы XX века стал использовать в качестве катализаторов мелкораздробленные металлы. Возможно, после прочтения предыдущих глав книги эта идея представляется вам тривиальной – Сабатье за счет измельчения металла просто увеличил его поверхность и, следовательно, активность. К слову сказать, и Дёберейнер в своем огниве использовал губчатую платину, удельная поверхность которой в десятки раз больше, чем у платиновой проволоки.

Но работать с мелкими частицами чрезвычайно неудобно, их безвозвратно уносит поток газа. Если же реакцию проводить в жидкости, то потом намучаешься с осаждением тонкой устойчивой взвеси.

В лаборатории это еще проходит, но для промышленности никак не годится. Сабатье нашел изящный и универсальный способ преодоления этих трудностей – наносить металлы на поверхность других твердых веществ, которые стали, естественно, называть носителями или подложками. Палладий на угле – самый известный из предложенных Сабатье катализаторов, используемый, кстати, до сих пор.

Он же предложил и общий способ получения таких катализаторов. Зачем механически измельчать металл, если его можно просто растворить в кислоте, затем осадить соль на поверхность носителя и восстановить назад до металла. На стадии связывания соли металла носитель играет роль сорбента. Если эта роль ему не очень удается, то можно воспользоваться вечным армейским принципом “не умеет – научим, не хочет – заставим” и просто выпарить раствор соли металла над носителем.

Этот подход оказался хорош еще и тем, что позволял получать частицы металла размером в несколько нанометров, которые в принципе невозможно получить с помощью механического измельчения. Маленький размер, огромная поверхность – производительность катализаторов сразу выросла на порядки, что открыло им дорогу в промышленность.

То, что нанесенные частицы металла, получаемые этим способом, имеют размер в единицы и десятки нанометров, ученые установили много десятилетий назад. Они научились также получать частицы нужного размера в зависимости от поставленной задачи. Понятно, что для нанесения максимально возможного количества этих частиц исследователи использовали носители с высокой величиной поверхности, так что создаваемые ими катализаторы характеризовались сразу двумя величинами в диапазоне нано: размерами частиц металла и диаметром пор носителя.

Вопрос о том, как образуются эти частицы на поверхности, также не ставил исследователей в тупик, ведь в их распоряжении были прецеденты по получению золей металлов в растворах. Об этом я расскажу подробно в следующей главе, здесь же отмечу главное: при восстановлении на поверхности образуются единичные атомы металла, которые свободно мигрируют по поверхности вследствие теплового движения и, встретившись, слипаются между собой, потому что вместе им находиться энергетически выгоднее, чем по отдельности. Рост формирующейся частицы будет происходить до тех пор, пока в пределах досягаемости не иссякнут единичные атомы металла. Математическая модель этого процесса была предложена профессором МГУ Николаем Ивановичем Кобозевым еще в 1939 году.

Нанесенные металлические катализаторы успешно работали в промышленности, но души исследователей свербели: пусть наночастицы нанесенного металла невелики по размеру, но работают-то в них все равно только поверхностные атомы, да и то не все, это ж сколько драгметалла пропадает зря?! И исследователи не оставляли попыток получить лежащие на поверхности отдельные атомы, которые, как считалось, будут обладать наивысшей каталитической активностью. Но все попытки разрушало тепловое движение атомов по поверхности, которое многократно ускорялось при повышенных температурах, в условиях использования катализаторов.

И тут подул ветер перемен. Началось все с пионерской работы английского химика Джефри Уилкинсона (1921–1996), будущего нобелевского лауреата. Он был признанным специалистом в области комплексных соединений металлов – атомов или ионов металлов, окруженных “шубой” из органических молекул. В 1966 году он обнаружил, что один из синтезированных им комплексов родия обладает каталитической активностью в реакциях с участием водорода, которые были раньше прерогативой исключительно металлических катализаторов. И какой активностью! По многим параметрам “комплекс Уилкинсона” (под таким названием он вошел в историю науки) превосходил платину и другие благородные металлы; он, в частности, позволял осуществлять каталитические реакции в исключительно мягких условиях: в растворе при комнатной температуре и атмосферном давлении. А самое главное – это был вожделенный катализатор, содержащий один-единственный атом металла.

После выхода статьи Уилкинсона начался бум металлокомплексного катализа. Открывались новые комплексы, изучались новые реакции с их участием. Ажиотаж в этой области подогревался еще одним обстоятельством: новые катализаторы чрезвычайно напоминали ферменты, активными центрами которых служили все те же ионы металлов, упрятанные в глубь белковой оболочки. На горизонте замаячил призрак “великого объединения” разных ветвей катализа, разошедшихся полтора столетия назад.

Впрочем, раздавались и трезвые голоса. При многочисленных достоинствах новые катализаторы обладали и очевидным недостатком: после завершения каталитического процесса их было чрезвычайно трудно выделять из реакционной смеси для повторного использования, дело обстояло в точности как с ферментами, “одноразовые” катализаторы не представляли интереса для промышленности, вся экономия драгоценного металла при этом сходила на нет.

С другой стороны, ситуация была абсолютно идентична описанной выше для мелкораздробленных металлов. И выход из нее был точно таким же: нанесение комплексов металлов на поверхность твердых носителей. Работы в этой области начались почти незамедлительно – в начале 1970-х годов – и привнесли новый мощный импульс в бум металлокомплексного катализа.

За десять лет неустанной гонки было получено много интересных научных результатов, но переворота в технологии так и не произошло. Оказалось, что комплексы металлов не так всемогущи, как представлялось, и есть процессы, которые им не по зубам. Нанесение комплексов на поверхность носителя также не оправдало надежд. Да, исследователи получали часто очень активные катализаторы, но они быстро теряли свою активность. Образно говоря, они были хорошими спринтерами, но плохими стайерами. Они не могли конкурировать с использовавшимися тогда в промышленности металлическими и оксидными катализаторами, которые работали без замены месяцами и годами.

Эйфория спала, и начался этап “нормальной” науки по Томасу Куну. Множество металлокомплексных катализаторов довели “до ума”, и они нашли применение не только в лабораторной практике, но в промышленности, например в фармацевтической, где важна их способность осуществлять превращения в мягких условиях и строго определенным образом, а “одноразовость” и относительно высокая цена не имеют большого значения. В 2010 году исследования в этой области были отмечены Нобелевской премией по химии. Ее разделили американец Ричард Хек и японцы Эйити Негиси и Акира Судзуки, разработавшие методы получения сложнейших органических соединений с помощью палладиевых катализаторов. Кстати, выполнены эти исследования были в те далекие романтические годы. По признанию самих лауреатов, присуждение Нобелевской премии стало для них приятной неожиданностью. И это не просто фигура речи. В сущности, премией была увенчана обширная область химии и катализа, а поименный список лауреатов мог быть любым и включать, например, профессора МГУ, академика Ирину Петровну Белецкую, долго и плодотворно изучавшую применение в органическом синтезе именно палладиевых катализаторов.

Но вернемся в прошлое, на тридцать лет назад. В ходе исследований комплексов металлов выявилась одна пикантная деталь: оказалось, что единичные атомы неспособны катализировать протекание многих важных реакций, даже такой внешне простой, как гидрирование бензола. В определенном смысле атомы вели себя как люди – ведь есть дела, которыми мы можем заниматься только вдвоем, а с какими-то можно справиться лишь большой бригадой.

Так что химики стали создавать комплексы, ядро которых состояло из двух, трех и большего числа атомов металла. Их называли кластерами. Дело довольно быстро дошло до систем, содержащих сотни атомов металлов. Пионером в изучении таких “гигантских кластеров” был Илья Иосифович Моисеев, ныне академик, а тогда – просто заведующий лабораторией Московского академического института общей и неорганической химии.

В сущности, гигантские кластеры представляли собой частицы металла размером в несколько нанометров, покрытые оболочкой из органических молекул. Природа этих частиц была предметом яростных споров на научных конференциях. “Они же у вас черные, так? Металл! Факт!” – пренебрежительно говорили мы, уже списавшие традиционные металлические катализаторы в утиль. “Они темно-коричневые. Это комплексы!” – отвечали молодые сотрудники Моисеева, тоже боявшиеся слова “металл” как огня. Приступать с такими нападками к руководителю работ мы не рисковали, и отнюдь не из-за преклонения перед авторитетами – Илья Иосифович человек интеллигентный, но при случае жесткий и острый на язык, отбреет так, что мало не покажется. И ведь прав он оказался, точно предугадав главный вектор развития работ в катализе! Вот только термин “кластер” постепенно исчез из лексикона каталитиков, переместившись в другие сферы, в экономику, государственное управление, СМИ, где стал одним из самых модных словечек, в катализе же остались… наночастицы металлов.

Слухи о смерти металлических катализаторов оказались сильно преувеличенными, и именно наночастицы металлов были признаны лучшим классом катализаторов как с точки зрения стабильности, так и активности. Оказалось, что каталитическая активность нанокристаллов в расчете на один атом металла может быть даже выше, чем у изолированных атомов металла или их кластеров, состоящих из двух-трех атомов. Было также показано, что для каждой реакции существует оптимальный размер частицы металлического катализатора, при котором удельная активность катализатора в расчете на атом металла максимальна. Все эти закономерности были в основном выяснены в 70–80-х годах прошлого века и успешно реализованы на практике.

Если вдуматься, развитие представлений в катализе описало своеобразную синусоиду, вернувшись к давно известным наночастицам металлов, хотя, с другой стороны, и на более высоком уровне понимания. Но складывается впечатление, что люди, незнакомые с историей науки, уловили лишь последнюю восходящую ветвь синусоиды, подъем “снизу-вверх”, от комплексов, содержащих один атом металла, к металлическим наночастицам, и стали преподносить их как открытие последнего времени, как некий переворот в катализе, связанный с появлением нанотехнологий. И вот уже с высоких трибун звучат бодрые голоса, обещающие создание методами нанотехнологий новых катализаторов для экологически чистых процессов химической промышленности.

В кругу специалистов все эти высказывания вызывают удивление, непонимание, обиду. А мы чем всю жизнь занимались – ромашки нюхали? Ситуация абсолютно идентична описанной ранее для сорбентов. И вывод из всего этого точно такой же: весь современный промышленный катализ – это и есть нанотехнологии, а разработанные учеными-каталитиками методы получения наночастиц металлов и результаты исследования их свойств составляют, несомненно, золотой фонд нанотехнологий.

Глава 7 Мал золотник, да дорог

Жил-был ученый. Звали его Гемфри Дэви (1778–1829). Он открыл натрий, калий, кальций, магний, стронций, барий и бор, явление электролиза и электрическую дугу, установил элементарную структуру хлора, предложил электрохимическую теорию химического сродства и тем самым заложил теоретические основы химии, а еще открыл “веселящий газ” – закись азота, долгое время использовавшийся в качестве наркоза при медицинских операциях, изобрел безопасную рудничную лампу и многое другое. Когда на склоне лет его спросили, какое из своих открытий он считает главным, Дэви ответил: “Я открыл Фарадея”.

Красивая легенда. Сегодня мы вкладываем в историческую фразу совсем не тот смысл, что Дэви, который делал, несомненно, ударение на слове “я”. Ему и в кошмарном сне не могло присниться, насколько ученик превзойдет учителя. Но именно так и случилось; Дэви, великий ученый и гениальный провидец, по сути оказался прав. Англичанин Фарадей – один из немногих ученых, чье имя знают во всем мире. Он – самый знаменитый из всех представленных в этой книге исследователей природы. И один из главных предтеч нанотехнологий.

Майкл Фарадей родился в 1791 году в пригороде Лондона в семье кузнеца. Из-за бедности он смог получить только начальное школьное образование, а в 13 лет пошел работать, сначала разносчиком книг и газет, затем подмастерьем в книжную лавку, где овладевал переплетным ремеслом. В этом “университете” Фарадей пробыл семь лет, с жадностью прочитывая все переплетаемые им книги. Наибольшее впечатление на него произвели статьи по электричеству в Британской энциклопедии и книга Джейн Марсе {12} “Беседы о химии”. Под их влиянием Фарадей стал посещать научно-популярные лекции в Городском философском обществе и воспроизводить увиденные и описанные опыты в домашней лаборатории, экономя буквально на всем. Вероятно, именно тогда выработался минималистский стиль экспериментов Фарадея. “Немного проволоки и несколько старых кусков дерева и железа дают ему возможность делать величайшие открытия”, – писал со смесью удивления и восхищения великий немецкий естествоиспытатель Герман фон Гельмгольц (1821–1894).

В двадцать один год Фарадей закончил обучение в лавке и получил звание мастера. Тут ему посчастливилось попасть на лекции Гемфри Дэви в Королевском обществе. И лекции, и сам лектор произвели на юношу неизгладимое впечатление, что предопределяло всю его последующую жизнь. Позже Фарадей вспоминал: “Желание уйти из торговли, которую я считал порочным и эгоистичным занятием, и посвятить себя служению науке, которая, как я представлял себе, делала своих последователей добрыми и свободными, заставило меня наконец сделать смелый и наивный шаг: написать письмо сэру Дэви”. К просьбе взять его на работу Фарадей приложил оригинальный подарок – сделанный им конспект лекций Дэви в искусном кожаном переплете. (Этот трехсотстраничный манускрипт до сих пор бережно сохраняется в Королевском обществе.) Дэви встретился с соискателем, поблагодарил за подарок, но просьбу отклонил.

Не было счастья, да несчастье помогло. При очередном взрыве в лаборатории Дэви поранил глаз, и ему потребовался помощник для записи результатов опытов. Тут он и вспомнил о Фарадее, о его хорошем почерке, аккуратности и готовности выполнять любую работу. Майкл приступил к своим обязанностям 1 марта 1813 года, а уже осенью Дэви предложил Фарадею сопровождать его в европейском турне, которое продлилось два года. Это была далеко не увеселительная поездка, по крайней мере для Фарадея. Он играл роль Фигаро: записывал мысли мэтра, таскал многочисленные баулы, чистил одежду и гулял с мопсом “мадам”. Но при этом жадно впитывал содержание бесед Дэви с Ампером, Вольтой, Гей-Люссаком и Шеврёлем, схватывая их мысли на лету, изучал хитроумные приборы в их лабораториях и помогал Дэви ставить его собственные эксперименты.

Один из них вошел в историю науки. Во Флоренции Дэви впервые доказал, что алмаз представляет собой чистый углерод. Для этого пришлось сжечь несколько алмазов, включая крупный бриллиант из перстня герцога Тосканы, но – наука требует жертв. В сущности, Дэви воспроизвел опыт средневековых флорентийских ученых, внеся в него существенное изменение. Он со своим валетом [18] помещал алмаз в заполненный кислородом стеклянный сосуд, запаивал его, а затем фокусировал на алмазе солнечный луч; алмаз при этом “испарялся”, а единственным веществом, которое удавалось обнаружить в сосуде, был углекислый газ.

По возвращении в Лондон Дэви стал доверять Фарадею проведение некоторых экспериментов, поручал ему самостоятельные исследования и способствовал публикации его первых научных статей. Все чаще случалось, что промышленники, не рискуя беспокоить сэра Гемфри, обращались к его помощнику с просьбой разрешить возникшие у них проблемы. Одна из них хорошо знакома и нам в наше высокотехнологичное время: железные изделия, увы, ржавеют. Подход, использованный Фарадеем при решении этой проблемы, характерен для всего его научного творчества: “наблюдать, изучать и работать”. Он шел от наблюдения: железные метеориты, хранившиеся в Британском музее, не ржавели. Фарадей провел их химический анализ и обнаружил значительную примесь никеля. Затем он ввел никель в расплав железа и получил то, что мы сегодня называем нержавеющей сталью. Аналогичный эффект наблюдался и при введении в железо других металлов, в частности хрома. Но, к сожалению, заказчик умер и результаты испытаний легли на полку на долгие десятилетия – для Фарадея это был незначительный эпизод, и он не занимался “торговлей” своими научными открытиями.

Дэви с Фарадеем еще проводили совместные исследования, но Дэви, естественно, слово “совместные” в голову не приходило, он был босс, а Фарадей – его помощник. Одно из этих исследований касалось сжижения газов. Идея для того времени была нетривиальной. Жидкость – это жидкость, а газ – это газ. Любая жидкость при испарении переходит в пар (или разлагается), но ниоткуда не следовало, что любой газ можно превратить в жидкость. Дэви придумал очень изящный экспериментальный прием, в результате чего им удалось получить жидкий хлористый водород.

Через несколько лет, развивая эти работы, Фарадей впервые получил в жидком состоянии хлор, сероводород, аммиак, диоксид азота, углекислый газ, этилен.

Споры из-за приоритета – самые жестокие в научном мире, особенно когда они происходят в паре учитель-ученик. Самая большая кошка, пробежавшая между Дэви и Фарадеем, носила имя электромагнетизм. В 1820 году датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851) опубликовал небольшую работу “Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку”. Работа привлекла внимание Дэви. Поразительно все же было устроено мышление ученых прошлого! Едва прочитав первое, довольно туманное сообщение о новом и неожиданном явлении, Дэви принялся размышлять ни много ни мало о том, как на его основе сделать двигатель, и даже выполнил со своим старинным другом Уолластоном [19] некоторые опыты, впрочем неудачные.

Фарадей принимал участие в их дискуссиях и, в свою очередь поэкспериментировав, заставил-таки проволочку непрерывно вращаться в поле магнита при пропускании через нее электрического тока от батареи. Так он изобрел то, что сейчас называют униполярным электродвигателем. В эйфории от собственного открытия Фарадей опубликовал полученные результаты, не поставив об этом в известность старших товарищей. Дэви пришел в ярость, грянула буря, надолго отбившая у Фарадея охоту заниматься электромагнетизмом.

В 1824 году Фарадея практически единогласно избирают членом Королевского общества. Нет сомнений, что единственный черный шар положил президент общества Гемфри Дэви, до голосования активно призывавший академиков отклонить кандидатуру Фарадея. Вскоре Дэви оставил занятия наукой. Работа с вредными химическими веществами подорвала его здоровье, он уехал лечиться в Швейцарию и в 1829 году, едва перевалив пятидесятилетнюю отметку, скончался. Звание первого английского химика перешло к Фарадею.

Именно так. Мы привыкли считать Фарадея великим физиком, но в его научной биографии был длительный “химический период”, он сделал ряд важнейших открытий в химии и, кстати, за эти работы был избран в 1830 году почетным членом Петербургской академии наук. Поразительно, но многие открытия он делал как бы походя, откликаясь на просьбы друзей, знакомых и промышленников и не придавая им, открытиям, большого значения.

Вот, например, история, произошедшая во времена, когда Лондон переводили на газовое освещение. Газ тогда получали из угольных шахт и собирали в железные баллоны, которые устанавливали в подвалах домов. Жители к новшеству относились настороженно, Вальтер Скотт язвительно писал, что теперь Лондон будет освещаться “угольным дымом”, да и сам Гемфри Дэви сомневался в жизнеспособности проекта. Но главная проблема заключалась в том, что с газом при перевозке что-то происходило и он уже не светил так ярко. В 1824 году промышленники попросили Фарадея разобраться в этом. Он довольно быстро установил, что в состав газа входят частицы, усиливающие его свечение при горении, но при перевозке и хранении осаждающиеся на стенках баллона в виде летучей маслянистой жидкости. Из нее Фарадей выделил новое вещество, которое заняло одно из центральных мест в теории и практике химии. Это был бензол. Фарадей установил состав бензола, споры же о строении этой простой молекулы продолжались, как мы помним, более столетия. Фарадей изучил некоторые химические свойства бензола и действием хлора получил из него гексахлоран. Эта реакция фигурирует во всех школьных учебниках. Он вообще первым получил хлорсодержащие органические соединения.

На следующий год Фарадей выполнил первый анализ каучука. Сок гевеи южноамериканские индейцы использовали с незапамятных времен, в Европе же патент на получение из него тканей для дождевиков получил в 1823 году шотландский предприниматель Чарльз Макинтош. При этом никто не знал, что представляет собой сок гевеи, – технологии и тут опережали науку. Макинтоша интересовало, с чем же он имеет дело, и он обратился за помощью к Фарадею. Тот установил, что сок гевеи на треть состоит из некоего вещества, собственно каучука, которое является “действующим началом”. Это вещество включало углерод и водород, оно было углеводородом, как и парафин. Фарадей довольно точно определил его состав – он соответствовал молекуле, которую мы сегодня называем изопреном. Ничего больше о строении каучука Фарадей сказать тогда просто не мог.

По просьбе своего друга Джона Гершеля [20] Фарадей создал тяжелое (свинцовое) боросиликатное стекло с очень хорошими оптическими свойствами для применения в телескопах. В отличие от многих других его исследований, эта работа заняла много времени – около пяти лет.

И наконец, Фарадей создал новый раздел науки – электрохимию, которая в наше время имеет неисчислимые технологические применения, от источников питания наших мобильных телефонов и ноутбуков до блестящих бамперов автомобилей. Собственно, работы по электролизу, действию электрического тока на вещество, начал Дэви, это позволило ему стать мировым рекордсменом по количеству открытых химических элементов, которые он получал электролизом расплавов щелочей и солей. Но именно Фарадей стал заниматься электролизом водных растворов, установил количественные законы электролиза и с подачи Уильяма Уэвелла {13} внедрил знакомые всем нам термины: ион, катион, анион, катод, анод, электрод.

“Физический период” в жизни Фарадея, гораздо более известный, многократно и подробно описанный, начался лишь после смерти Дэви. В 1831 году Фарадей вернулся к своему давнему опыту по электромагнетизму и практически мгновенно открыл явление электромагнитной индукции. Две проволочки, накрученные на железный штырь, – с этого незамысловатого устройства, хранимого в музее Королевского общества, началась вся современная электротехника. Но что подвигло Фарадея собрать эту конструкцию, пропустить электрический ток через одну проволочку и проверить, а не появляется ли ток в другой? Непостижимый ход мысли! Гений – одно слово. По той же категории проходят опыты по возникновению электрического тока при движении магнита внутри кольца из проволоки. После этого кажется вполне естественным, что Фарадей быстро создал первый электрогенератор, прообраз динамо-машины, хотя практической реализации идеи пришлось ждать довольно долго, первый патент на динамо-машину получил Вернер Сименс в 1867 году, он же предложил и термин.

Фарадей изучал воздействие магнитов на самые разные вещества, что привело его к открытию диамагнетиков и парамагнетиков и соответственно явлений диа– и парамагнетизма. Свет согласно теории Ньютона, все еще удерживавшей господствующее положение в оптике, тоже представлял собой поток материальных частиц-корпускул, так что Фарадей изучил воздействие магнита и на него. Он пропускал поляризованный свет, открытый незадолго до этого в 1808 году французским физиком Этьенном Луи Малюсом, через созданные им свинцовые стекла и обнаружил, что под действием магнита плоскость поляризации света поворачивается. Так Фарадей получил первое свидетельство электромагнитной природы света, что привело к созданию теории Максвелла и смене парадигмы в физике.

Многие историки науки и биографы любят противопоставлять этих двух ученых, говоря, что Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) был гениальным мыслителем, описавшим электромагнитные явления точными математическими формулами, а Фарадей – “всего лишь” эмпириком, экспериментатором, пусть и лучшим в истории человечества. Современники зло шутили, что открытия Фарадея являются следствием его недостаточного образования, многие ученые заносчиво говорили о слабости математической подготовки Фарадея, которая ограничивалась начальными сведениями по тригонометрии и алгебре (что ж тут поделаешь, следствие тяжелого детства и юности!), да и мы, помнится, с улыбкой смотрели на “наивные” рисунки Фарадея с изображением силовых линий магнитного поля и восхищались изящной красотой уравнений Максвелла.

Но, как говорят художники, он так видел. И это видение помогало Фарадею проникать в суть явления, мы же, всецело полагаясь на математические уравнения и формализованные компьютерные расчеты, практически утратили эту способность. Да и что считать математикой? Сам Максвелл, например, к “наивным” рисункам Фарадея относился уважительно и называл их математикой очень высокого уровня, которую оценят лишь в будущем.

Благодаря особенностям своего мировосприятия Фарадей видел связь вещей и явлений. Он довершил дело, начатое Франклином, и окончательно доказал, что между различными “видами” электричества, статическим, искусственным, “животным” и т. д., нет никакой разницы. Он утвердил связь между электрическими и магнитными явлениями, между электрическими и химическими процессами, между магнетизмом и оптикой. Фарадей способствовал созданию целостной картины мира, а точнее говоря, он видел эту картину во всем ее единстве и величии и смог донести это видение до нас. Что же касается вклада Фарадея в теорию, то об этом лучше всего сказал не кто иной, как Альберт Эйнштейн: “Надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами”. В работах Фарадея впервые возникло понятие поля , именно эту идею Эйнштейн считал самой оригинальной у Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона.

Самое поразительное, что все эти эксперименты и открытия Фарадей делал в одиночку. В лаборатории ему помогал отставной солдат, человек рукастый и исполнительный, но совершенно чуждый науке. Учеников же и ассистентов у него не было. Возможно, Фарадей руководствовался тем, что от учеников одни проблемы, он сам был учеником и хорошо знал, чем все заканчивается. Но за пределами лаборатории Фарадей увлеченно занимался преподавательской деятельностью и популяризацией науки. Он прочитал огромное число публичных лекций с непременными демонстрациями экспериментов, в чем он был истинным виртуозом. Кстати, его цикл из шести лекций под названием “Химическая история свечи” издается до сих пор. Это поистине классика научно-популярного жанра.

Не менее известны в Англии того времени были и его воскресные проповеди, собиравшие множество людей из самых разных слоев общества, включая его коллег-ученых. Фарадей был глубоко верующим человеком и принадлежал к одной из самых ортодоксальных сект англиканской церкви – сандиманианской. В 1860 году он даже стал ее старейшиной. Как в одной голове могли укладываться занятия естественными науками и буквальная вера в тексты Ветхого Завета, понять трудно, но Фарадей все это прекрасно совмещал и, более того, считал, что вера в Бога помогает ему лучше проникать в тайны мироздания. Наверно, все дело в том, что он был гением, у гениев голова по-другому устроена.

Многолетние напряженные занятия наукой и общественной деятельностью привели к тому, что Фарадей просто-напросто надорвался, уже в пятидесятилетнем возрасте у него начались нелады с памятью. “Шесть недель работы для того, чтобы получить эти результаты, – записал он как-то в дневнике. – Самое скверное то, что, просматривая свои старые заметки, я обнаружил, что все эти результаты были уже получены мною восемь месяцев назад. Я совершенно о них забыл”.

12 марта 1862 года Фарадей сделал свой последний эксперимент. Все они были тщательно запротоколированы и пронумерованы. Последний имел номер 16041 – фантастическая производительность! Напоследок он переплел свои лабораторные журналы – пальцы помнили дело.

Он прожил еще пять лет. Они с женой не нажили ни детей, ни состояния. Поднявшись из низов в члены Королевского общества, Фарадей стал джентльменом, а, согласно тогдашним воззрениям, джентльмену не пристало получать деньги за занятия наукой. Даже если исследования проводились по заказу – “по просьбе” – промышленников. Подарки допускались – на усмотрение просителя. Но даже от многих таких работ Фарадей отказывался, предпочитая возиться с не сулящими никакой практической выгоды проволочками и магнитами. Ему еще повезло, что принц Альберт, муж королевы Виктории, восхищенный лекциями Фарадея, подарил ему дом в королевском поместье близ Лондона. Никаких других средств существования у четы Фарадеев не было. Как неоднократно говорил сам Фарадей: “Из праха вышел и в прах возвратишься, – и неизменно добавлял: – Бытие, 3: 19”.

Однако какое все это имеет отношение к нанотехнологиям? Можно было бы просто сказать, что Фарадей заложил основы современной физики и химии, открыл электрические, магнитные и оптические явления, без которых немыслимы нанотехнологии во всех своих многочисленных приложениях. Но я хочу сузить ответ и сосредоточиться лишь на одном эксперименте Фарадея, выполненном в 1847 году и продемонстрированном широкой публике в 1858 году на лекции “О связи золота со светом”.

Посмотреть действительно было на что. Фарадей растворил золото в царской водке и затем вновь восстановил его до металла фосфором. Частички металла были настолько малы, что их невозможно было разглядеть даже под микроскопом, они свободно плавали в растворе, который казался абсолютно прозрачным. А самое главное – он был вишнево-красным. Небольшое изменение условий восстановления, и вот уже перед зрителями представала взвесь “синего” золота. То, что это именно металлическое золото, показывал анализ осадка – “черни”, которая со временем выпадала из раствора. Если же Фарадей добавлял в раствор желатин, то прекрасные красные и синие растворы сохранялись неизменными на протяжении недель и месяцев. Еще тогда Фарадей предположил, что цвет золотых частиц зависит от их размера. Он был первым, кто получил в лаборатории наночастицы металла, и он же первым обнаружил так называемый размерный эффект .

Я не случайно оговорился: в лаборатории. Дело в том, что “цветное” золото было известно на протяжении веков, если не тысячелетий. С его помощью окрашивали стекла еще в Древнем Риме, затем на его основе делали витражи средневековых соборов, сохранивших свои яркие краски до наших дней. В XVI веке знаменитый алхимик и врач Парацельс использовал “питьевое” золото для лечения заболеваний – он считал его необходимым компонентом “эликсира жизни”. В XVII веке полагавшийся утерянным рецепт изготовления витражей был заново открыт гамбургским стеклодувом Андреасом Кассием. “Кассиев пурпур” получали восстановлением растворов соединений золота хлоридом олова, при его введении в расплавленную стеклянную массу получали великолепное “рубиновое стекло”, равномерно окрашенное по всему объему. “Кассиев пурпур” использовали также в росписях по стеклу и фарфору для создания всех оттенков красного – от слабо-розового до ярко-алого.

При желании историю нанотехнологий можно проследить в глубь веков, где они существовали в виде ремесла. Заслугой Фарадея было то, что он впервые посмотрел на это с точки зрения науки.

Я специально не использовал термины “золи золота” и “коллоидный раствор”, ведь они появились уже после экспериментов Фарадея. В свою очередь эти работы в значительной мере инициировали развитие коллоидной химии. Именно с золей золота начал через сорок лет после Фарадея свои исследования австрийский ученый Рихард Адольф Зигмонди (1865–1929), получивший за них в 1925 году Нобелевскую премию по химии. Зигмонди определил размер частиц золота, на учился получать золи с узким распределением частиц по размерам, самых разнообразных цветов – красного, зеленого, синего, фиолетового, коричневого, даже черного и установил, что частицы размером до 10 нанометров имеют красный цвет, а по мере увеличения размера частиц до 80 нанометров цвет постепенно сдвигается в синюю область. Были изучены также различные способы стабилизации золей золота.

В начале 1970-х годов наночастицы золота начали использовать в биохимии и медицинской диагностике. Дело в том, что некоторые аминокислоты, формирующие белок, содержат в своем составе серу, а сера обладает большим сродством к золоту. Таким образом, белок легко и прочно соединяется с золотой наночастицей. Это был один из первых примеров конструирования на наноуровне – целенаправленной сборки сложного объекта из наноразмерных блоков разной природы. Размер используемых при этом частиц золота был меньше размера белков, то есть прикрепляемая металлическая гирька выступала в качестве метки белка.

Здесь оказалось чрезвычайно полезным еще одно свойство золота. Экспериментальная техника того времени, и в первую очередь электронные микроскопы, не позволяла разглядеть сам белок, но прекрасно видела металлические частицы, причем чем тяжелее атомы металла, тем лучше разрешение. Тяжелое золото идеально подходило для целей визуализации белков, а точнее говоря, поведения белков, их перемещения в организме, концентрирования в каких-то частях клетки, связывания с другими биологическими объектами.

После провозглашения эпохи нанотехнологий наночастицы золота оказались в центре внимания. Благодаря их легкой доступности и хорошей изученности ученые стали совать их куда ни попадя и при этом, случалось, попадали точно в цель. Новостные ленты СМИ запестрели сообщениями об открытии новых уникальных свойств наночастиц золота и об их практическом использовании, реализованном или потенциальном. Золото наряду с углеродом стало одним из главных химических элементов нанотехнологий.

Золото также очень любимо популяризаторами нанотехнологий. Золото на слуху и известно всем, это вам не какой-нибудь экзотический арсенид галлия (который, между нами говоря, для современной техники в целом и нанотехнологий в частности поважнее золота). Кроме того, на примере золота чрезвычайно удобно объяснять основные принципы нанотехнологий. Действительно, при переходе от массивного золота к наночастицам мы наблюдаем кардинальное изменение свойств: на несколько сотен градусов уменьшается температура плавления, изменяются оптические характеристики вещества, а именно – цвет и его химические свойства – “благородное” золото превращается в довольно активный металл. Все это яркие и убедительные примеры возникновения новых качеств при переходе на наноуровень, проявления необычных и неожиданных свойств нанообъектов. После этого можно плавно перейти к рассказу о нанотехнологической революции.

Но вот о чем популяризаторы частенько забывают сказать: что все это давным-давно известно и “неожиданные” свойства наночастиц давно являются для специалистов, в первую очередь химиков, прописной истиной. Я вам попытаюсь объяснить все это на пальцах. Только пойдем мы к наночастицам не от массивного металла, а от атомов, так намного понятнее. К тому же это больше соответствует реальности. Ведь как получал золи золота Фарадей и как их продолжают получать в наше время? Ионы золота в растворе восстанавливают до атомов, которые затем самоорганизуются в наночастицу металла.

Возможно, для вас станет откровением, что атом золота – очень активная частица. Это общее свойство всех атомов, за исключением атомов инертных газов. Атомы способны пребывать в одиночестве только в вакууме или при очень низкой температуре, во всех остальных условиях они норовят вступить во взаимодействие с другими веществами окружающей среды или слипнуться с себе подобными, в этом смысле их поведение мало отличается от нашего. В школе об этом не рассказывают, не из злонамеренности, а за ненадобностью. Ведь химики имеют дело с веществом, с молекулами, атомы как химические реагенты стали использовать в технологиях сравнительно недавно, в конце 1960-х годов и для довольно экзотических целей. Чего об этом говорить?

При взаимодействии между двумя атомами образуется химическая связь, при этом выделяется энергия, соответственно энергия атомов уменьшается, они становятся “спокойнее”, как люди при вступлении в брак. Запомним это и начнем мысленно собирать наночастицу из атомов. Для этого возьмем один атом золота и облепим его со всех сторон слоем других атомов. Если мы сделаем это достаточно аккуратно и максимально плотно, то в этом слое окажется 12 атомов. Размер атома золота – 0,286 нм, таким образом, полученная нами частица имеет размер 0,86 нм, из 13 составляющих ее атомов 12, или 92,3 %, находятся на поверхности. Будем продолжать эту операцию. Когда мы нарастим третий слой, размер частицы достигнет 2 нм, общее число атомов составит 147, а доля атомов, находящихся на поверхности (во внешнем слое), – 62,6 %. На пятом слое эти величины составят, соответственно, 3 нм, 561 атом и 45 %, на сотом – 29 нм, 3 миллиона атомов и 3 %. Какова форма этих частиц? Интуитивно кажется, что она должна быть сферической, но на самом деле уже после нанесения пяти плотных слоев атомов частица приобретает форму сложного многогранника, называемого икосаэдром и составленного из двадцати правильных треугольников, – поразительно красивая структура, один из примеров идеальных Платоновых тел.

А что у нас при этом происходит с энергией атомов? Понятно, что наименьшей энергией обладают атомы, находящиеся во внутренних слоях частицы. Каждый такой атом находится в плотном окружении своих собратьев, он тих и смирен, ему некуда стремиться, все, что ему остается, это тихо колебаться в унисон с ближайшим окружением и вносить свою лепту в общую работу, например отдавать свой электрон для обеспечения электропроводности.

Атомы, находящие во внешнем слое, имеют меньше связей с соседями, чем внутренние, и они, соответственно, обладают большей энергией. Перед ними лежит открытый мир, и они рвутся туда, пытаясь разорвать связи с частицей. И еще они открыты влиянию окружающей среды, они, пусть и в меньшей степени, чем свободные атомы, стремятся вступить во взаимодействие с каким-нибудь компонентом внешней среды. Как мы видели, доля поверхностных атомов в составе наночастицы очень высока и поэтому именно они определяют реакционную способность наночастицы, которая закономерно уменьшается при переходе от сверхактивных атомов к массивному куску металла. С этой точки зрения ничего неожиданного в свойствах наночастиц нет. Наоборот, было бы крайне удивительно, если бы их свойства не отличались от массивных образцов.

Своей повышенной активностью поверхностные атомы оказывают влияние и на соседей, в том числе тех, которые находятся в следующем, внутреннем, слое, а те, с сильным затуханием, передают его все дальше вглубь. Если размер частицы невелик, то свойства даже внутренних атомов будут отличаться от свойств атомов, находящихся в массивном куске золота. Для того чтобы заставить все эти атомы двигаться поактивнее, чтобы разрушить их идеальный порядок, достаточно сообщить им довольно мало энергии, именно поэтому температура плавления коллоидного золота намного ниже температуры плавления массивного образца.

Почему при изменении размера наночастиц меняется их цвет? Боюсь, что это объяснить на пальцах я не смогу, а всякие мудреные формулы мы с вами договорились не использовать. Будем воспринимать цвет как данность, именно так испокон века поступали химики. У них вообще свой взгляд на мир и на те же наночастицы. Для них частицы, состоящие из тринадцати или пятидесяти пяти атомов золота, – разные химические соединения, а каждое соединение обладает своими свойствами, и в частности цветом. С этой точки зрения говорить о необычности свойств довольно бессмысленно, ибо что есть обычность?

Следуя этой логике, признаем, что цвет и другие свойства наночастиц возникают в процессе их образования и что они существенно отличаются от свойств как изолированных атомов, так и массивных образцов. И здесь Природа, несомненно, приготовила для нас множество сюрпризов, задача ученых – разглядеть их и научиться использовать для нашей общей пользы.

Об одном таком сюрпризе мой следующий рассказ. Золото – элемент уникальный во многих отношениях. В частности, оно не обладает каталитической активностью ни в какой форме – массивных образцов, комплексных соединений, содержащих один или несколько атомов золота, или ионов. Это тем более удивительно, что платиновые металлы, соседи золота по Периодической таблице и столь же благородные, относятся к числу наиболее активных катализаторов с широчайшим спектром действия. Как бы то ни было, в середине прошлого века тезис о неактивности золота вошел в учебники и научные монографии и утвердился настолько, что никому в голову не приходило проводить работы в этом направлении.

И вот в конце 1980-х годов японский исследователь Масатаке Харута рискнул (другого слова не подобрать для этого казавшегося безнадежным предприятия) применить золото для окисления оксида углерода. Для этого он использовал наночастицы золота, образующиеся при самопроизвольной ассоциации атомов золота на поверхности диоксида титана и имеющие форму оладий. Каталитическая активность наночастиц была нулевой вплоть до размера 4 нм. Но при размере 3,5 нм происходил резкий взлет и при 3 нм золото превосходило по активности даже платину. Однако при уменьшении размера такой наночастицы до 2,5 нм активность падала в 5 раз. Если вспомнить, что размер атома золота составляет 0,286 нм, становится очевидным, что все эти драматические изменения в свойствах происходят при добавлении или удалении слоя толщиной в один-два атома. Харута обнаружил еще одно неожиданное свойство изученных им наночастиц золота. При их толщине в три и более атомов они проявляли привычные металлические свойства. Но при меньшей толщине золото – один из лучших проводников электрического тока – превращалось в… диэлектрик.

После публикаций Харуты начался бум исследований каталитических свойств наночастиц золота, спектр которых оказался почти так же широк, как у платины. В настоящее время проводятся большие международные конференции, целиком посвященные катализаторам на основе золота.

Открытие Харута сделал выдающееся, за него могут и Нобелевскую премию дать, но, с другой стороны, немного курьезное. Как мы помним, все нанесенные металлические катализаторы, давно используемые в промышленности, представляют собой наночастицы. Но золото все это заслонило просто по причине новизны и массы публикаций. Ученые в своих лекциях часто апеллируют к золотым катализаторам, потому что их изучение проводится с использованием экспериментальной техники, недоступной исследователям даже недавнего прошлого, золото предоставляет хороший иллюстративный материал – “картинки”.

Бум “золотого” катализа практически совпал с бумом нанотехнологий, из чего люди, далекие от катализа и от науки вообще, сделали вывод, что катализаторы на основе золота были созданы благодаря новым революционным технологиям. Такие неспециалисты просто перепутали причину со следствием. Вполне вероятно, что именно эта путаница и породила упоминавшиеся уже громогласные заявления чиновников о том, что нанотехнологии позволят создать катализаторы нового поколения, заявления, вызывающие в кругу ученых недоумение и смех. При этом они сами продолжают вовсю разрабатывать “золотую” жилу, это актуально, под это дают гранты, и там действительно получаются интересные с научной точки зрения результаты. Во что все это выльется, пока сказать трудно. Бум, как водится, скоро спадет, наступит этап трезвой оценки результатов, агнцы будут отделены от козлищ, что-то, может быть, и дойдет до промышленности. После этого, полагаю, история пойдет на очередной круг. Экспериментальные методы, разработанные при изучении золотых катализаторов, будут использованы для повторного исследования платиновых, палладиевых и всех других металлических катализаторов. В нашей книге много примеров того, как новый взгляд на старую проблему и возврат к старым исследованиям с использованием новой экспериментальной техники, позволяющей глубже проникнуть в тайны вещества, приводит к неожиданным открытиям и сногсшибательным эффектам. В сущности, именно это и сделал Харута, пойдя против канона и очевидности, за что ему честь и хвала.

Если будущее золотых нанокатализаторов довольно туманно, то перспективы применения золотых наночастиц в медицине не вызывают сомнений. Они обладают достаточно высокой химической стабильностью и низкой собственной токсичностью, их легко получать и модифицировать, за ними довольно просто следить и воздействовать на них дистанционно с помощью различного рода излучений – по совокупности этих свойств золото оставляет далеко позади все остальные металлы. Вы, наверно, и сами обращали внимание, как часто в сообщениях о разработке новых средств медицинской диагностики и лечения упоминаются золотые наночастицы.

Описывать все это нет никакой возможности, потому что любая информация мгновенно устаревает. Я расскажу лишь об одном распространенном общем подходе. Наночастицу связывают с белком, который способен специфически распознавать раковые клетки. Этот агрегат путешествует с кровотоком по всему организму и, найдя раковую клетку, зацепляется за ее мембрану или проникает внутрь. Если при последующем сканировании организма мы обнаружим скопление золотых наночастиц в какой-то точке, то это будет указывать на наличие раковой опухоли. В принципе так можно обнаружить одну-единственную раковую клетку, что важно само по себе, ведь ранняя диагностика служит гарантией успешного излечения. Но золотые наночастицы и сами могут служить лекарственным средством, точнее говоря, средством уничтожения больной клетки. Ее можно просто выжечь, для этого надо нагреть золотую наночастицу с помощью, например, инфракрасного излучения, проникающего сквозь наши ткани. Как знать, может быть, на основе наночастиц золота когда-нибудь создадут современный вариант эликсира жизни, мечты Парацельса.

И не будем забывать, что золото лишь один из десятков металлов Периодической таблицы, что из всех этих металлов могут быть сделаны наночастицы, множество различающихся по размеру, форме, составу и обрамлению наночастиц. У всех у них свои уникальные свойства, для каждой можно найти конкретное применение. Серебро уже наступает на пятки золоту в медицинских применениях, магнитные наночастицы железа, кобальта, никеля, стремительно уменьшаясь в размерах, способствуют повышению плотности записи информации, наночастицы платиновых металлов, адаптируясь к требованиям дня, помогают создавать безотходные производства и т. д. Из зерна, брошенного более полутора веков назад великим Майклом Фарадеем, выросло целое древо, которое стремительно разрастается на наших глазах и с каждым годом приносит все более щедрые плоды.

Глава 8 Молекула жизни, или Яблоко раздора

В этой главе речь пойдет об открытии, определившем развитие современной науки о живом и непосредственно касающемся нанотехнологий. Это открытие – расшифровка структуры ДНК – многие считают важнейшим в истории ХХ века. Моя задача облегчается тем, что почти все участники тех событий написали о них подробные воспоминания. Весь сюжет уложился в весьма короткий период времени – с осени 1951 года до весны 1953-го.

Удивительно, но с формальной точки зрения ДНК открыли раньше хромосом. В 1869 году швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер, разглядывая под микроскопом гной на перевязочном материале, обнаружил в ядрах клеток неизвестное вещество и назвал его – по местонахождению – нуклеином. Хромосомы разглядели несколькими годами позже, когда научились подкрашивать их определенными красителями. Собственно, за это свойство поглощать красители их и назвали хромосомами (“хрома” по-гречески – “цвет”).

Долгое время о нуклеине было известно лишь то, что он является кислотой, обладает очень большой молекулярной массой, содержит фосфор и, в отличие от белков, химически инертен и стабилен. В 1919 году Фебус Левин [21] установил наконец его химический состав, в который входили остатки сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты, а также четыре азотсодержащих органических основания – аденин, гуанин, тимин и цитозин. Вещество обрело привычное нам имя – дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. Была высказана гипотеза о ее строении: органическое основание соединяется с остатком дезоксирибозы с образованием нуклеозида, тот присоединяет остаток фосфорной кислоты, давая нуклеотид, а уж те скрепляются между собой в длинную цепь. Гипотеза была в духе времени, ведь именно тогда родилось понятие о полимере. Косвенное экспериментальное подтверждение она получила в 1937 году, когда англичанин Уильям Астбери (1898–1961) получил первые рентгенографические изображения кристалла ДНК, из них следовало, что ДНК имеет регулярную структуру. Химики, в основном усилиями Александра Тодда (1907–1997), разобрались со строением и методами получения нуклеотидов и даже научились получать их короткие цепи – олигонуклеотиды – с заданной последовательностью [22] . В 1950–1951 годах американский биохимик Эрвин Чаргафф выполнил более скрупулезный анализ ДНК и установил, что в пределах экспериментальной погрешности содержание аденина совпадает с содержанием тимина, то же относится к паре гуанин-цитозин. Впрочем, погрешность была довольно высокой, да и сам метод анализа у многих исследователей вызывал сомнения. Вот, в сущности, и все, что знали ученые о ДНК к началу нашей истории.

С другой стороны, о роли ДНК в организме было известно еще меньше. Долгое время ученые отводили ей роль арматуры хромосом, хранилища фосфора, регулятора кислотности в ядре клетки, были и другие гипотезы. Идею о том, что ДНК служит носителем наследственной информации, никто из ученых всерьез не рассматривал. Сейчас можно найти ссылки на то, что выдающийся русский биолог Николай Константинович Кольцов (1872–1940) еще в 1928 году писал о присутствии в хромосомах гигантских молекул, ответственных за наследственность, состоящих из двух зеркальных цепочек, каждая из которых при удвоении играет роль шаблона (темплата) для синтеза второй цепочки. Прозрение из разряда гениальных, но, во-первых, ниоткуда не следует, что Кольцов говорил о ДНК, а во-вторых, идея в те годы прошла незамеченной.

Все внимание ученых было приковано к белкам, связанным с ДНК и образующим с ней хромосому.

Белки обладали заведомо более сложным строением (двадцать строительных блоков против четырех в ДНК) и множеством экспериментально подтвержденных биологических функций. ДНК в сравнении с ними смотрелась как унылый бесконечный забор, сложенный из четырех повторяющихся бетонных плит, рядом с затейливыми нарядными особняками. Впрочем, о строении белков тоже было известно очень мало. К моменту начала нашей истории было установлено лишь наличие первичной структуры белка (см. главу 5).

Считается, что первыми убедительно доказали определяющую роль ДНК в передаче наследственной информации американцы Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти в ходе изящного эксперимента, выполненного на бактериях в 1943 году. Их сообщение не потрясло основы генетики. Во-первых, время было неподходящее для научной революции – война, во-вторых, многие ученые просто пропустили эту публикацию, а ознакомившиеся высказали свои сомнения. Кроме того, для большинства биологов все эти исследования если и представляли интерес, то только досужий. Они привыкли оперировать с хромосомами, клетками, организмами, а уж что там служит действующим началом – дело второе. Они вполне комфортно чувствовали себя в рамках существовавшей методологии. Еще меньший интерес они проявляли к структуре ДНК. Все это была какая-то мудреная, незнакомая им химия, и они совершенно не представляли себе, как знание вышеозначенной структуры может помочь им в их работе.

Теперь о главных действующих лицах нашей истории. Перечисляю в порядке возраста.

Фрэнсис Крик, 35 лет, англичанин, физик по образованию, громогласный, многословный, заносчивый, человек увлекающийся и фонтанирующий идеями. Во время войны занимался разработкой магнитных мин. После прочтения книги Эрвина Шрёдингера “Что такое жизнь?” увлекся биологией, работал какое-то время в лондонском Королевском колледже у Джона Рэндалла, откуда его вышиб ли за несносный характер. С 1949 года работал в Кембридже в Кавендишской лаборатории в группе Макса Перуца, занимался рентгенографическим изучением белков, наскребывая материал для кандидатской диссертации. Неудачник по формальным показателям, непризнанный (пока) гений по сути.

Морис Уилкинс, 35 лет, уроженец новой Зеландии, в шесть лет переехавший с родителями в Англию, физик по образованию, хрестоматийный ученый – в очках, мягкий, податливый, скромный, погружен в науку. Во время войны работал над созданием экранов для радаров, затем участвовал в работах по Манхэттенскому проекту в Калифорнии. После войны перешел в биологию, чистую во всех смыслах науку. Все это время работал в Королевском колледже, где познакомился и подружился с Криком. Был одним из пионеров рентгенографического исследования кристаллов ДНК, которую считал одной из важнейших биологических молекул. Работал методично, основательно, без спешки, не думая о приоритете и громких открытиях. Характер Уилкинса лучше всего отражает название его воспоминаний – “Третий мужчина в истории двойной спирали”.

Розалинд Франклин, 31 год, из еврейской банкирской семьи, химик по образованию, резкая в суждениях, нетерпимая в спорах, зацикленная на идее женского равноправия. После защиты кандидатской диссертации в 1945 году в Кембридже переехала в Париж, где занималась рентгеноструктурным анализом углей и графита и достигла в этом высокого профессионализма. В 1950 году Джон Рэндалл пригласил ее на работу в Королевский колледж. Предполагалось, что Франклин будет заниматься исследованиями ДНК вместе с Уилкинсом, фактически в роли его ассистентки. Франклин настояла на том, что будет работать самостоятельно и потребовала, чтобы ей были переданы все новое оборудование и лучшие образцы кристаллической ДНК, имевшиеся в распоряжении лаборатории, к ней же в качестве аспиранта перешел и единственный сотрудник Уилкинса Раймонд Гослинг. Уилкинс ничего не смог противопоставить такому напору, он постенал и смирился, продолжив работать на том оборудовании, что у него было раньше, и с теми образцами, которые ему оставили. Стиль работы, впрочем, у них был одинаковый – последовательный и скрупулезный, “как доктор прописал”. К ДНК Франклин относилась как к объекту рентгеноструктурного анализа, довольно интересному с этой точки зрения.

Джеймс Уотсон, 23 года, американец, длинный, тощий, лохматый, по юношескому экстремизму считающий большую часть окружающих, включая коллег-ученых, недоумками разной степени тяжести, признанный гений с детства. В 15 лет поступил в Чикагский университет, в 22 года защитил кандидатскую диссертацию по зоологии. Был первым и, как часто бывает, любимым аспирантом Сальвадора Лурия (1912–1991), перебравшегося в США из Италии и ставшего в 1969 году нобелевским лауреатом по физиологии и медицине “за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов”. Уотсон подключился к этим исследованиям в самом их начале, собственно, именно этим он и занимался в своей аспирантской работе. Тогда он впервые услышал об эксперименте Эвери – Маклеода – Маккарти и безоговорочно уверовал в то, что ДНК служит носителем наследственной информации. Но ни он, ни его руководители ничего не понимали в нуклеиновых кислотах, так что Уотсона в 1950 году отправили на стажировку в Данию к известному биохимику Герману Калькару, который работал в этой области. Они не нашли взаимопонимания, Уотсон хотел заниматься структурой ДНК, у Калькара на его счет были свои планы, так что год стажировки прошел почти что впустую. Весной 1951 года Уотсон отправился на конференцию в Неаполь, где услышал доклад Уилкинса. Из него он впервые узнал, что для установления структуры ДНК может быть использован метод дифракции рентгеновских лучей. О самом методе он тоже знал понаслышке. Для освоения метода он стал добиваться перевода в Кембридж. Осенью 1951 года он прибыл в Кавендишскую лабораторию, в группу Макса Перуца, где встретил родственную душу – Фрэнсиса Крика. Они быстро сошлись.

Собственно, в этот момент и начинается наша история. В Кавендишской лаборатории царила нервная обстановка из-за недавнего сообщения Полинга о расшифровке вторичной структуры белков. Пусть это была всего лишь гипотеза, но приоритет в открытии альфа-спирали теперь принадлежал Полингу – американцу! Это понимал и Уильям Брэгг {14} , директор лаборатории, справедливо считавший себя одним из отцов рентгеноструктурного анализа, и Макс Перуц, на протяжении нескольких лет совершенствовавший технику съемки дифрактограмм и методы их расчета и вплотную подошедший к расшифровке структуры белков. Они жаждали реванша, это стало их навязчивой идеей. Одержим ею был и Крик. И тут ему представился случай впервые проявить себя во всей красе. Буквально за два дня он вместе с двумя другими сотрудниками лаборатории, Стоуксом и Кокрэном, разработал математическую модель того, как спиральная структура должна отражаться в рентгеновских дифрактограммах. Написанную тут же статью немедленно послали в журнал “Nature”, а копию Полингу – знай наших!

Но это было лишь малой компенсацией. Никто почему-то не сомневался, что следующим объектом, за который примется Полинг, будет ДНК, а уж если он возьмется, то непременно сделает. Мы должны опередить его, это будет наш триумф! Крик с Уотсоном, отбросив все дела, стали размышлять, как подступиться к проблеме. Уотсон безоговорочно уверовал в спираль, как раньше уверовал в ДНК. Как биолог он знал, что спираль – самая простая из природных форм, поиск вначале надо было вести в этом направлении. Крик посоветовался с Уилкинсом, и тот показал полученные им дифрактограммы. Они сошлись в том, что в них явственно проступают черты спирали. Уилкинс предположил, что эта спираль состоит из трех полинуклеотидных цепей. Уотсон почитал отчет Франклин о работе, проделанной в Королевском колледже. Отчет был довольно туманным, Франклин явно не спешила выносить на суд слушателей свои выводы, кроме главного: “Бесспорные факты могут быть получены только после того, как будет накоплено достаточно данных, чтобы провести более тонкий кристаллографический анализ”.

На Уилкинса и Франклин было мало надежды, они могли получать свои улучшенные дифрактограммы и полгода, и год. Крик с Уотсоном решают идти путем Полинга: не дожидаясь экспериментальных результатов, попытаться собрать молекулярную модель ДНК из шариков, изображающих атомы, и стерженьков. Проблема заключалась в том, что с химией они оба были не в ладах. Пришлось опять обращаться за помощью к Полингу, из его срочно купленной книги “Природа химической связи” они почерпнули необходимые им сведения, включая данные о размере атомов и длине химических связей. Они остановились на варианте с тремя цепями, располагающимися внутри молекулы ДНК, и торчащими наружу азотистыми основаниями. Но как цепи скрепляются между собой? Наиболее вероятным им показалось предположение, что в этом участвуют ионы металла типа магния. Никакими экспериментальными данными по присутствию ионов магния в ДНК они не располагали, но ведь не было и данных, указывающих на их отсутствие. Они крутили свою модель и так и эдак, пока она вдруг не закрутилась сама в изящную спираль с шагом, почти в точности соответствующим параметрам кристаллической решетки, полученным Уилкинсом и Франклин. Задача была решена!

Уилкинса и Франклин пригласили посетить Кембридж для ознакомления с великим открытием. Франклин подвергла модель уничтожающей критике. По ее данным цепи должны располагаться на периферии молекулы, а не внутри. И при чем здесь спираль? Нет там никакой спирали! Она не собирается делиться с ними полученными ею данными. Она возмущена тем, что ей пришлось ехать за тридевять земель (70 км), чтобы посмотреть на эти детские игры в конструктор. Так открытия не делаются, открытия делаются правильно !

Ее мнение быстро донеслось (донесли) до Брэгга. И тот… запретил Крику и Уотсону заниматься впредь ДНК и настоятельно рекомендовал им вернуться к выполнению их прямых обязанностей. Исследования ДНК были объявлены вотчиной Королевского колледжа, Кавендишская лаборатория самоустранилась от участия в гонке. Столь ценимые в Англии правила “честной игры” превыше всего! Перед ними поблекли познание истины и конкуренция с Полингом. Крик с Уотсоном подчинились приказу начальства, у них не было выбора. Приближались рождественские каникулы. Первый акт продолжался чуть более трех месяцев. Наступил длительный антракт.

Крик занимался экспериментами по своей диссертации. Уотсон приступил к работе с вирусом табачной мозаики. Он решил наконец на практике освоить метод рентгенографического анализа. Через месяц он научился получать вполне сносные дифрактограммы. Уотсон был настолько поглощен идеей спирали, что быстро разглядел ее и в вирусе и представил, как она может образовываться. В такой ситуации частенько случается, что исследователь выдает желаемое за действительное, но Уотсон попал точно в цель. Это само по себе было важным научным результатом, но его-то интересовала структура ДНК!

Думать о ДНК ему с Криком никто запретить не мог. Если верить Франклин, то сахарные цепи располагались по краю молекулы, следовательно, спираль скреплялась за счет какого-то взаимодействия между азотистыми основаниями. Крик ненадолго увлекся идеей, что плоские основания уложены в подобие пачек, на это вроде бы указывали некоторые кристаллографические данные. Он даже попросил одного своего приятеля помочь ему с квантово-химическими расчетами такого взаимодействия. Уотсон же погрузился в изучение основ химии по книге Полинга, надеясь найти в ней ответы на мучившие его вопросы.

В мае в Лондоне прошла конференция по структуре белков. Все с замиранием сердца ждали приезда Полинга, но у него именно тогда американские власти отобрали паспорт. Впрочем, через месяц Полинг объявился на биохимическом конгрессе в Париже, где ни словом не обмолвился о ДНК. В Англии облегченно выдохнули. Тогда же в Кембридж приехал Чаргафф. Джон Кендрю, ближайший сотрудник Перуца, благоволивший Крику и Уотсону, устроил их встречу в неформальной обстановке. Уотсон знал о “правиле Чаргаффа”, но не придавал ему большого значения. Он как-то рассказал о нем Крику, но тот пропустил эту информацию мимо ушей. Чаргаффу не потребовалось много времени, чтобы понять это, и ему, естественно, это очень не понравилось. Как и то, что Крик, многословно объясняя Чаргаффу результаты квантово-химических расчетов, не смог без подсказки нарисовать формулы азотистых оснований. Эти парни, Крик и Уотсон, вообще ему не понравились. Несколько месяцев спустя Чаргафф в письме Кендрю поинтересовался, чем сейчас занимаются “его клоуны от науки”. По иронии судьбы, именно в тот момент Крик с Уотсоном наводили последний глянец на свою историческую модель.

Пока же они занимались другими делами. Уотсон вспоминал: “В конце октября Фрэнсис попробовал подбить меня на вторую попытку раскрыть структуру ДНК. Но мне показалось это бессмысленным. Никаких новых фактов, которые могли бы сгладить неприятные воспоминания о нашем позорном поражении прошлой зимой, не появилось”. Тогда же в Кембридж на стажировку приехал сын Полинга – Питер. Работать ему выпало в одной комнате с Криком и Уотсоном. В ходе дружеской беседы он разболтал, что отец поглощен идеей скручивания между собой самих альфа-спиралей в молекулах белка кератина, содержащегося в волосах. Это была хорошая новость для Уотсона и плохая для Крика, ведь близкой проблемой тот занимался в своей диссертации. Припертый к стене Крик набросился на работу с удвоенной энергией и вскоре создал вполне корректную математическую модель скручивания спиралей. Статья была незамедлительно отослана в “Nature” с надеждой, что она выйдет одновременно со статьей Полинга, а то и раньше.

История тихо катилась к печальному концу. Крик размышлял над предложением поработать год в США. Стажировка Уотсона была не вечной. Франклин объявила, что в марте она переходит на работу в Беркбек-колледж, где будет заниматься исследованиями вируса табачной мозаики, объекта с точки зрения рентгенографии более интересного, чем ДНК. Главным же было то, что руководитель тамошней лаборатории Джон Бернал был известным борцом за женское и всяческое другое равноправие. Он гарантировал Франклин полную самостоятельность в рамках сельскохозяйственного гранта и должность, в наших терминах, старшего научного сотрудника. Один Уилкинс пребывал в радужном настроении, предвкушая годы спокойной работы по установлению структуры ДНК.

Гром грянул опять же в канун Рождества. Питер Полинг обмолвился в разговоре, что отец прислал письмо, в котором среди прочих семейных новостей сообщил, что установил структуру ДНК. Об этом были немедленно извещены все, включая Брэгга и Перуца. Кендрю пытался утешить расстроенных Крика с Уотсоном, говоря, что Полинг мог и ошибиться. Полинг – не мог, отвечали те.

В первых числах февраля 1953 года Полинг прислал в Кембридж два экземпляра своей статьи, один – Брэггу, второй – сыну, который недолго думая показал ее Крику и Уотсону. Те не смогли скрыть радость, когда увидели тройную спираль ДНК, в которой обращенные внутрь цепи были скреплены водородными связями. Это они уже проходили, это была ошибка! Еще они поразились тому, что фосфатные группы в структуре Полинга были связаны с атомом водорода. “Как же так, ведь ДНК – это кислота, это экспериментальный факт, в кислоте нет никаких атомов водорода!” Это восклицание говорило скорее об их собственной химической малограмотности и неспособности понять оригинальный ход мысли Полинга. Как бы то ни было, они разнесли по лаборатории весть, что Полинг допустил элементарную химическую ошибку, за которую в колледжах ставят двойки на экзаменах по химии.

Все понимали, что это лишь временная передышка. Полинг, несомненно, обнаружит ошибку и тогда уж сделает все, как полагается. Но при этом без всяких на то оснований возродились надежды на реванш. Брэгг отменил свое вето на занятия ДНК и спустил Крика с Уотсоном с поводка. Делайте, что хотите, но сделайте это! С одной стороны, это свидетельствовало о некой мистической уверенности в том, что если кто и способен в кратчайшие сроки решить эту великую задачу, то только эти два самоуверенных шалопая. С другой стороны, в Кавендишской лаборатории просто не было других специалистов, достаточно знакомых с проблемой ДНК.

Перед лицом “американской угрозы” были преданы забвению все правила честной игры. Опуская малоприглядные детали, скажу лишь, что Крику с Уотсоном обеспечили доступ к результатам, полученным Франклин, без ее, естественно, ведома. Парадокс ситуации заключался в том, что Франклин, яростно отрицавшая саму идею спирали, приложила столь много усилий, чтобы развенчать ее, что в результате получила самые убедительные свидетельства ее правильности. Такое, впрочем, часто случается в науке. Уотсону хватило одного быстрого взгляда на показанную ему Уилкинсом дифрактограмму, чтобы “увидеть” спираль. Эта “фотография 51”, вошедшая в историю науки, лежала в столе Франклин с июля прошлого года.

Крик с Уотсоном вернулись к молекулярным моделям, заказав в мастерских комплект металлических пластинок, с геометрической точностью отображавших строение азотистых оснований. Уотсон настоял на построении двойной спирали. Его аргумент был неотразим даже для физика Крика: все важные биологические объекты бывают парными! Но начали они по-прежнему с осмеянной модели, где остов молекулы находился в центре. Никто не мог понять, почему Франклин настаивала на периферийном расположении цепей, из ее данных это явным образом не следовало. Но ничего хорошего у них не получилось. Тогда Уотсон решил попробовать раздвинуть цепи и обратить основания внутрь – с него не убудет. Но тут возникла опять же старая проблема – как основания из разных цепей связываются друг с другом и скрепляют таким образом молекулу. Ответ подсказал все тот же Полинг – водородные связи! Уотсон бросился в библиотеку читать статьи на предмет образования водородных связей между молекулами азотистых оснований.

Все равно не сходилось. Как ни крутили Уотсон с Криком пластинки, изображавшие азотистые основания, модель получалась какая-то кособокая, скучная, некрасивая, в общем, неправильная. Помощь пришла со стороны сотрудника, который вот уже полгода сидел за своим столом в их комнате, а до этого несколько лет проработал в Калифорнийском технологическом институте, рядом с Полингом. Он увидел структурные формулы оснований, которые Уотсон выписал из книги Дэвидсона “Биохимия нуклеиновых кислот”, и небрежно бросил: эти формулы, которые рисуют в учебниках, какие-то липовые, нутром чую, что на самом деле эти соединения существуют в другой таутомерной форме. Что такое таутомерные формы, для нас с вами не суть важно, главное, что они обладают разной геометрией.

С новыми формами дело пошло. Аденин вдруг идеально сложился с тимином, а гуанин с цитозином, и размеры у двух этих пар совпали. Из этого напрямую вытекало правило Чаргаффа, к которому оба конструктора продолжали испытывать недоверие. И еще: что любая данная последовательность оснований одной цепи автоматически определяла последовательность другой, это была своеобразная зеркальная или, как сейчас говорят, комплементарная симметрия, было легко представить, как одна цепь становится матрицей для синтеза другой. Ждать, пока механики изваяют новые металлические пластинки, не было сил, Уотсон принялся вырезать точные изображения оснований из толстого картона. Крик во время ланча помчался в паб “Орел”, любимое вместо встречи ученых из окрестных колледжей, и принялся рассказывать всем встречным и поперечным, что они с Уотсоном раскрыли секрет жизни. На календаре было 28 февраля, второй акт нашей истории продолжался менее четырех недель.

Через неделю Крик с Уотсоном закончили пайку окончательной модели двойной спирали ДНК. Приехал Уилкинс, бегло осмотрел конструкцию и тут же отправился обратно в Лондон – надо было проверить, насколько предсказываемые ею параметры соответствуют экспериментальным данным. Через несколько дней и Уилкинс, и Франклин подтвердили: все в точности совпадает. Валом валили сотрудники лаборатории, прослышавшие об открытии. Едва оправившись от гриппа, прибыл Брэгг. Он был удовлетворен. “А что думает по этому поводу Тодд?” – озаботился Брэгг. К Тодду, главному специалисту в мире по химии нуклеиновых кислот, работавшему буквально за стенкой, Крик с Уотсоном почему-то не обращались за консультациями. Позвали Тодда. “Отличная химическая работа”, – резюмировал он.

Показательно, что ни у кого не возникло ни малейших сомнений в правильности модели. Она была красива и совершенна, это не было творением рук или ума человеческого, такое могла сделать только Природа. Это была Истина, самоочевидная и самодостаточная, не требующая никаких других доказательств. Вот и Полинг был сразу покорен ею. Как выяснилось, он был в курсе проводимых в Англии исследований. В начале апреля Полинг намеревался посетить Королевский колледж по дороге в Брюссель на Сольвеевскую конференцию по белкам. Его интересовали некоторые детали рентгенографических исследований. Со структурой ДНК ему уже все было ясно.

Неясности были с публикацией. В эйфории от победы все стали добрыми и вспомнили о честной игре, не забывая при этом о приоритете. В конце концов, сошлись на том, что результаты будут опубликованы одновременно в трех статьях, написанных отдельно Уотсоном с Криком, Уилкинсом и Франклин. Уотсон с Криком уложились в 900 слов, в одну страницу журнального текста. “Скромненькое” название – “Строение дезоксирибозной нуклеиновой кислоты”. Первая ссылка была на Полинга.

Брэгг продавил публикацию в ближайшем номере журнала “Nature”, статьи вышли из печати 25 апреля 1953 года. В номере от 30 мая Уотсон с Криком опубликовали еще одну статью, на две с небольшим страницы, где они обсудили возможный механизм репликации (удвоения) ДНК в свете предложенной ими структуры. Статья носила чисто гипотетический характер, потому что никаких экспериментальных фактов тогда не было и в помине. Как показала дальнейшая история, в целом они не ошиблись.

Будет большим преувеличением сказать, что сообщение о расшифровке структуры ДНК произвело эффект разорвавшейся бомбы даже в рядах научного сообщества, не говоря уже о широкой общественности. Впервые об этом сообщил 8 апреля лично Брэгг на упомянутой уже конференции в Брюсселе. Ни одна британская газета не откликнулась на это событие. После публикации в Nature были инспирированы статьи в ряде ведущих английских и американских газет, но и они не вызвали большого ажиотажа. Тут смерть Сталина, грядущая коронация Елизаветы II – не до ерунды!

А как отразилось сделанное открытие на судьбе наших главных героев?

Начнем с Розалинд Франклин. Она, как вы помните, в марте 1953 года уже перешла на другую работу. Несколько недель спустя Франклин попросила Крика показать ей модель. Она Розалинд не впечатлила. Франклин сохранила как старую, непонятную неприязнь к молекулярным моделям, так и твердую убежденность в том, что так работать неправильно, так открытия не делаются. В изучении вируса табачной мозаики она вновь продемонстрировала свой высокий профессионализм, не только подтвердив предварительные результаты Уотсона, но и сильно продвинувшись вперед. К сожалению, в 1958 году Розалинд Франклин скончалась от рака.

Фрэнсис Крик в 1954 году защитил наконец кандидатскую диссертацию по дифракции рентгеновских лучей на белках, после чего уехал на год в Америку. В 1956 году они с Уотсоном опубликовали еще одну совместную статью, посвященную строению малых вирусов, после чего их научные пути разошлись. По возвращении из США Крик сконцентрировался на проблеме синтеза белков и сформулировал в 1958 году так называемую “центральную догму” молекулярной биологии, заключающую в том, что наследственная информация в живых организмах передается по цепочке ДНК – РНК – белок, но никак не наоборот. Он же утвердил в генетике всем хорошую известную концепцию триплетного генетического кода. Работы эти были чисто умозрительными, но впоследствии блестяще подтвердились. В 1962 году Крик вместе с Уотсоном и Уилкинсом получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие структуры ДНК. В 1976 году Крик перебрался в США, где занимался преимущественно проблемами мозга и сознания, увлекаясь периодически и другими идеями. Скончался в 2004 году.

В том же году ушел из жизни его ровесник Морис Уилкинс. Он единственный из всех остался верен ДНК и в течение нескольких лет методично накапливал экспериментальный материал, подтверждающий правильность созданной Уотсоном и Криком модели. Так что включение его “третьим” в список нобелевских лауреатов было абсолютно оправдано. Да и вся его дальнейшая научная карьера была образцово-показательной, хотя и без громких свершений.

Джеймс Уотсон, младший в этой тройке нобелевских лауреатов, здравствует и поныне. Он проводил исследования в самых различных областях молекулярной биологии и, в частности, приложил много усилий для выяснения генетической природы рака. Время от времени своими поступками и делами подтверждает свою репутацию enfant terrible современной генетики. В 1990 году по его инициативе был начат проект “Геном человека”, возможно, самый масштабный международный научный проект в истории человечества. В течение двух лет он руководил этими работами, покинул свой пост со скандалом, восстав против активно продавливаемой в то время идеи патентования генов.

В 2008 году Уотсон приезжал в Москву. На его публичную лекцию в Доме ученых пришло несколько тысяч человек, от маститых ученых до студентов и аспирантов, которые хотели увидеть и услышать живую легенду науки. Места в зале для всех не хватило, были установлены большие экраны в холле и громкоговорители в сквере. Молодые люди стояли на улице и слушали рассказ ученого о его жизни и об уроках, которые он из всего этого вынес.

Перейдем теперь к самой молекуле ДНК {15} , о которой, я не сомневаюсь, вы и так знаете почти все, так что мне остается лишь акцентировать ваше внимание на некоторых моментах, которые существенны для целей этой книги. Главное – это то, что молекула ДНК представляет собой классический образец нанообъекта . Ее толщина составляет 2,2–2,4 нм, а длина доходит до сантиметров. Каждая молекула ядерной ДНК состоит из сотен миллионов нуклеотидных пар, что в сотни раз больше числа звеньев во всех других известных нам природных соединениях или синтезированных учеными полимерах. Две полинуклеотидные нити, составляющие двойную спираль, абсолютно идентичны по своему составу и строению, но выполняют принципиально разные функции. Одна из них служит собственно хранилищем генетической информации, каждый ее нуклеотид – это одна буква в длинном тексте, составляющем сборник инструкций по росту и функционированию всего нашего организма. Вторая цепочка выполняет вспомогательную функцию. Она идеально геометрически соответствует кодирующей цепочке, подходя к ней как ключ к замку, за это ее называют комплементарной, от латинского complementum – дополнение. Больше всего молекула ДНК похожа на перекрученную застежку-молнию. Такое ее устройство понадобилось Природе для лучшей сохранности генетической информации – молекула ДНК обладает феноменальной химической стабильностью, в подходящих условиях она не разрушается и сотни тысяч, и миллионы лет, благодаря чему мы сейчас можем воссоздавать генетический “портрет” организмов, живших в те незапамятные времена.

Аналогия с застежкой-молнией вообще очень плодотворна. Застежку можно легко расстегнуть – вот и цепи молекулы ДНК расходятся, например, при нагревании. Но при охлаждении они вновь сходятся и скрепляются, восстанавливая прежнюю структуру, это принципиально отличает ДНК от белков, которые при нагревании необратимо денатурируют. Стоит одному зубчику в застежке погнуться или выпасть – и вот уже молния не застегивается. Точно так же и молекулы ДНК “чувствуют” замену даже одного нуклеотида в длинной цепи и “отказываются” скрепляться. Застежка-молния остается таковой независимо от длины, все описанные свойства ДНК также не зависят от ее длины. Если мы бросим в водный раствор две цепочки, состоящие, например, всего лишь из десяти нуклеотидов, удовлетворяющих требованию комплементарности, то они рано или поздно встретятся и прочно соединятся между собой в молекулу ДНК, пусть и маленькую, состоящую всего из десяти пар нуклеотидов . И пусть при этом вокруг плавают хоть миллион других похожих цепочек, если в последовательности соединения их нуклеотидов есть хоть одно отклонение от требований комплементарности, но наши цепочки не обращают на них никакого внимания, они ищут своего единственного, зеркального близнеца. Поразительная избирательность!

Вернемся ненадолго к кодирующей цепочке. Ее, как мы помним, можно уподобить некоему тексту, записанному “буквами” входящих в ее состав нуклеотидов. В этом тексте можно вычленить предложения – точное описание того или иного белка живого организма. Последовательность из трех определенных нуклеотидов образует “слово”, обозначающее конкретную аминокислоту. В этом суть генетического кода. Часть молекулы ДНК, на которой записана инструкция по синтезу одного белка, называется ге́ном . Еще раз подчеркну, что часть молекулы ДНК сама по себе также является молекулой ДНК, это подобие части целому – один из основополагающих принципов организации как живой, так и неживой материи.

Сейчас нам легко говорить об этом, но в 50-х годах прошлого века, когда Уотсон и Крик впервые явили ученым и миру свою модель ДНК, ничего этого не было известно даже на уровне предположений. Ученые вообще впервые столкнулись с таким нанообъектом . Как к нему подступиться? Как его изучать? Как определить строение хотя бы одной молекулы ДНК, то есть выяснить в ней точную последовательность нуклеотидов, если число возможных комбинаций при длине молекулы в сотни миллионов пар превосходит число атомов во Вселенной?

Что делают ученые, попав в такую пиковую ситуацию? В первую очередь они начинают думать, даже, вернее, фантазировать, потому что в их распоряжении есть один-единственный факт, да и тот гипотетический, – модель молекулы ДНК. Давайте немного поиграем в ученых.

Из своего жизненного опыта мы знаем, что сколько ни смотри на неизвестную машину, в ее внутреннем устройстве не разберешься, пока не прочитаешь подробное описание или не разберешь машину на части. Химики так и поступают, у них есть в арсенале разные реагенты, которые разрезают сложные молекулы в строго определенных местах, например, они могут разорвать связь фосфатного остатка с дезоксирибозой, то есть разрезать цепочку ДНК, не затронув при этом связь дезоксирибозы с азотистым основанием. Но для нашей задачи эти реагенты слишком грубые, они будут перерезать молекулу ДНК случайным образом, это все равно, что колотить по машине тяжелой кувалдой, а потом пытаться разобраться в куче разнокалиберных осколков – бесполезное занятие! Нам нужно какое-то более сложное, чем кувалда, устройство, которое будет разрезать молекулу ДНК в строго определенных местах, назовем их условно швами. Это должно быть какое-то специальное устройство, способное обращаться с объектами молекулярных размеров. Понятно, что размер устройства не может быть намного больше молекулы ДНК. Опять же жизненный опыт: даже молоток и гвоздь должны иметь сопоставимые размеры, иначе ничего хорошего не выйдет. Чтобы разрезать в нужном месте молекулу ДНК диаметром 2,4 нм, устройство должно иметь размер в десятки, максимум сотни нанометров.

Итак, нам нужно устройство, способное обрабатывать молекулы и само имеющее молекулярные размеры, – молекулярная машина . Из чего она должна состоять? Из тестера для обнаружения “шва” и из собственно резака, затем необходима какая-то оснастка для самостоятельного передвижения машины, ведь вероятность того, что она обнаружит “шов” в ходе случайных блужданий, невелика. И наконец, нужен процессор, ведь напрямую управлять работой такой машины нам вряд ли удастся и она поневоле должна будет работать в автономном режиме. Все это складывается в образ некоего робота или с учетом его размера – наноробота .

Мы с вами путем незамысловатых рассуждений пришли к идее, приобретшей чрезвычайную популярность в наше время. С ней мы еще столкнемся в заключительной главе книги. Здесь же скажу, что люди, наделенные инженерным или механистическим складом мышления, снабжают в своих фантазиях такие роботы наношестеренками, наноредукторами и наноколесами, манипуляторами с зажатыми в них нанофонариками и наноскальпелями, антенной, передатчиком и бортовым компьютером.

Но ученые 50–60-х годов прошлого века пошли другим путем. С ДНК ведь работали преимущественно химики и биологи и они в силу своего склада мышления заключили, что нужная им молекулярная машина должна быть похожа на белок. И еще они предположили, что Природа непременно должна была создать что-то подобное в ходе эволюции, а иначе как она сама управляется с ДНК? Это задало направление поисков. Работа всегда спорится лучше, когда знаешь, что ты ищешь.

Поиски заняли длительное время, это была действительно трудная задача. Лишь в конце 1960-х годов американский микробиолог Гамильтон Смит и швейцарский микробиолог и генетик Вернер Арбер открыли фермент рестриктазу, которая играет в живых организмах роль ножниц для ДНК [23] . Важность открытия оценили быстро, уже в 1978 году ученым была присуждена Нобелевская премия по медицине и физиологии.

Собственно, это был не один фермент, а обширный класс ферментов, который в настоящее время насчитывает более трех тысяч различных рестриктаз. Столь большое, даже с учетом богатства мира живой природы, число рестриктаз объясняется их четкой специализацией – каждая вступает в дело только при наличии в молекуле ДНК определенных последовательностей нуклеотидов, называемых сайтами рестрикции.

Опишу лишь один, наиболее интересный для наших целей пример механизма действия рестриктаз. Итак, фермент находит в длинной молекуле ДНК определенную последовательность, состоящую из шести нуклеотидов, и разрезает молекулу ДНК внутри этого участка хитрым фигурным образом – одну цепочку в одном месте, другую в другом. В результате при разъединении двух кусков на их концах остаются короткие одноцепочечные хвостики, состоящие обычно из четырех нуклеотидов. Их называют “липкими” концами. Почему липкими? Представим себе, что мы подвели друг к другу разрезанные описанным образом фрагменты ДНК, они в этом случае непременно соединятся, слипнутся, ведь их хвостики комплементарны.

За счет этого фрагменты молекулы ДНК будут удерживаться вместе (как все та же застежка-молния с разрезанной основой), но это не будет прежняя молекула ДНК. Для полного восстановления структуры необходимо спаять разрезанные цепи. Для этого у Природы есть специальные молекулярные машины – ферменты лигазы. Их открыли в 1967 году.

Наука развивается очень затейливыми путями. Казалось бы, процесс разрезания и сшивки молекул ДНК намного проще ее копирования. Более того, это не просто кажется, так оно и есть. В своей статье, опубликованной в 1953 году, Уотсон и Крик сформулировали идею репликации ДНК в самом общем виде, не располагая ни одним экспериментальным фактом для ее доказательства. Тем не менее первой открыли молекулярную машину именно для сборки ДНК. Случилось это уже в 1956 году, когда американский биохимик Артур Корнберг (1918–2007) выделил фермент, названный впоследствии ДНК-полимеразой. За это он немедленно, в 1959 году, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, к слову сказать, раньше Уотсона с Криком.

Но это был лишь первый шаг на долгом пути, на расшифровку основных деталей механизма репликации ДНК ушло два десятилетия. Отмечу лишь некоторые моменты, которые нам понадобятся в дальнейшем. Специальная молекулярная машина, фермент хеликаза, движется вдоль молекулы ДНК, разрывая водородные связи между комплементарными нуклеотидами и разрезая двойную спираль на отдельные цепочки с образованием так называемой репликационной вилки. Основную созидательную функцию выполняет фермент ДНК-полимераза, который, двигаясь по цепочке, собирает из нуклеотидных блоков комплементарную ей цепь. Таким образом из одной молекулы ДНК получают две идентичные молекулы, каждая из которых содержит цепь исходной молекулы и вновь синтезированную цепь. Поражает точность копирования: частота ошибок при репликации ДНК не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов. Это обусловлено, в частности, тем, что молекулярная машина под названием ДНК-полимераза включает в свой состав специальный “отдел технического контроля”, который способен распознать ошибку и тут же исправить ее.

В работе ДНК-полимеразы есть один важный нюанс – она не может начать сборку, как говорится, на ровном месте. Для этого ей необходима затравка, называемая праймером, олигонуклеотид, состоящий приблизительно из 20 нуклеотидов и комплементарный определенному участку копируемой цепи ДНК. Праймер прочно связывается с цепью ДНК, как деталь конструктора “Лего”, а затем ДНК-полимераза начинает пристраивать к нему олигонуклеотидную последовательность.

Скорость копирования ДНК в клетках нашего организма составляет около 50 нуклеотидов в секунду. Нетрудно подсчитать, что для копирования одной цепи молекулы ДНК длиной, например, в 50 миллионов нуклеотидов ДНК-полимеразе потребуется около 12 суток, а на копирование всего нашего генома, состоящего из 3 миллиардов пар нуклеотидов – около 4 лет. Понятно, что это слишком долго, поэтому над копированием одной молекулы ДНК трудятся одновременно сотни и тысячи молекулярных машин, каждая на своем участке длиной от 30 до 300 тысяч нуклеотидов, они же обеспечивают состыковку синтезированных кусков цепи. Другие молекулярные машины собирают в это время копию второй цепочки молекулы ДНК и так одновременно во всех наших 46 хромосомах. Так продолжительность копирования генома снижается до минут.

ДНК выполняет также функцию базы данных о структуре всех белков нашего организма. Если клетка испытывает потребность в том или ином белке, она обращается за инструкцией по синтезу к ДНК и та выдает необходимую информацию в виде молекулы РНК. Этот процесс называется транскрипцией ДНК, его осуществляет специальная молекулярная машина – РНК-полимераза. Ее функции намного более разнообразны, чем у ДНК-полимеразы. Она прикрепляется к молекуле ДНК в определенном месте, указанном специальной сигнальной молекулой, расплетает спираль ДНК и начинает копировать ее кодирующую цепь, собирая на ней как на матрице цепочку РНК из отдельных нуклеотидов, переводя при этом код ДНК в код РНК. Для этого РНК-полимеразе не нужны никакие праймеры, а место, где необходимо остановиться, задается определенной последовательностью нуклеотидов в цепи ДНК. Так что молекулярная машина движется от исходной точки к конечной, расплетая спираль ДНК перед собой, восстанавливая ее за собой и одновременно выдавая все удлиняющуюся нить РНК. Длина расплетенного участка ДНК, где происходят все основные события, составляет примерно 18 нуклеотидных фрагментов. Скорость работы РНК-полимеразы несколько ниже, чем ДНК-полимеразы, и не превышает 20–30 нуклеотидов в секунду.

Впрочем, исследования в этой области проходили куда медленнее. Крик, как мы помним, сформулировал свою “центральную догму” молекулярной биологии в 1958 году. В 1961 году французские микробиологи Франсуа Жакоб и Жак Моно {16} высказали предположение о существовании специального фермента, ответственного за осуществление транскрипции, РНК-полимеразу выделили в 1965 году, тонкий молекулярный механизм ее действия выявили в 70–80-е годы, Нобелевскую премию по химии получил за это в 2006 году Роджер Корнберг (род. 1947 г.), сын Артура Корнберга. Поразительный пример преемственности в науке. Не менее удивительно и то, что два похожих природных объекта – ДНК– и РНК-полимеразы разнесены в листе Нобелевских премий на полвека. Но так развивается наука – неравномерно и отнюдь не последовательно.

Самая же совершенная из отрытых учеными природных молекулярных машин, на мой взгляд, это рибосома – завод по производству белка. В каждой клетке живого организма их насчитывается несколько десятков тысяч. Рибосомы универсальны в том смысле, что каждая из них может синтезировать любой белок, необходимый живому организму. Информация о том, какой белок следует синтезировать, поступает из “мозгового” центра клетки – ее ядра в виде линейной молекулы информационной РНК, продукта копирования кодирующей цепочки ДНК с помощью РНК-полимеразы. Рибосома захватывает один конец молекулы информационной РНК и шаг за шагом протягивает ее через себя. На каждом шаге рибосома считывает информацию с фрагмента участка РНК, как с компакт-диска, и в соответствии с этой информацией пристраивает к растущей цепи белка очередную аминокислоту, которая поступает из окружающей среды – цитоплазмы клетки. Скорость сборки или, как ее называют, трансляции составляет десятки аминокислотных фрагментов в секунду.

По окончании синтеза полипептидная цепь высвобождается из рибосомы и специальные белки сворачивают ее требуемым образом и осуществляют над ней другие операции, превращающие ее, собственно, в белок или фермент. Общее количество молекул белков и РНК, принимающих участие в синтезе одной молекулы белка составляет около трехсот. Можно только восхититься отлаженностью и согласованностью всего этого природного технологического процесса.

Каков же размер рибосомы? В это трудно поверить, но он составляет всего двадцать нанометров. При этом помимо считывания информации и конструирования сложного объекта из элементарных строительных блоков рибосома осуществляет притягивание молекулы РНК, то есть механическую работу. Молекулярные машины обходятся при этом без привычных нам колес и шестеренок, учиться нам еще у Природы и учиться.

Дело это не быстрое. Вот и рибосомы были открыты в середине 1950-х годов американским биологом румынского происхождения Георгом Паладе (1912–2008), механизм их функционирования более и менее прояснился через пятнадцать лет, за что Паладе вместе с бельгийцами Альбером Клодом (1899–1983) и Кристианом де Дювом (1917–1978) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Но к расшифровке структуры рибосомы на атомарном уровне ученые подобрались только в нашем веке, когда появилась соответствующая экспериментальная техника высокого разрешения. При этом был выявлен ряд новых важных деталей устройства и функционирования рибосом, за что в 2009 году британец Венкатраман Рамакришнан, американец Томас Стейц и израильтянка Ада Йонат получили еще одну Нобелевскую премию, на сей раз по химии.

Все это, конечно, очень интересно и расширяет знания ученых о природе, скажете вы. Но при чем тут нанотехнологии? Действительно, для многих ученых познание природы – самоцель, но в этом нет ничего плохого, потому что без фундаментальной науки прогресс человечества просто невозможен. При этом всегда были и есть ученые, наделенные практическим складом ума, которые во всяком открытом ими или коллегами новом явлении видят в первую очередь источник технических усовершенствований и изобретений. Они не ждут, пока будут выявлены всякие тонкие детали того или иного явления, подчас они даже не ждут безоговорочных подтверждений того, что оно на самом деле существует, они сразу же начинают размышлять над тем, как бы его приспособить к делу. Эти прикладные исследования зачастую опережают фундаментальные, создаются технологии, производятся новые материалы и устройства, а ученые все еще продолжают ломать голову над тем, почему эти устройства работают так, как они работают.

Вот и молекулярные машины для “обработки” ДНК ученые быстро стали использовать сначала для собственных, а потом и общечеловеческих нужд. Рестриктазы, разрезающие молекулу ДНК в строго определенных местах, весьма помогли известному уже нам Фредерику Сенгеру определить последовательность соединения нуклеотидов в цепи. Затем ученые научились вырезать из молекулы ДНК участок, соответствующий определенному гену. И почти сразу возникла мысль о том, а нельзя ли соединить между собой гены, принадлежащие разным живым организмам, и получить таким образом ДНК, не существующую в природе?

Как это можно сделать? Вспомним о “липких” концах, образующихся при разрезании ДНК. Мы вырезаем с помощью рестриктазы какой-нибудь ген из одной молекулы ДНК и выделяем его. Затем, используя ту же самую рестриктазу, вырезаем еще один ген из другой ДНК. Рестриктаза одна и та же, соответственно и липкие концы у этих двух фрагментов одинаковые, нам остается лишь смешать их, и они слипнутся между собой. А затем мы добавим фермент лигазу, которая намертво спаяет нити новой ДНК. Такой вот генный конструктор. В реальности все выглядит намного сложнее, есть множество подводных камней, о некоторых вы, возможно, и сами уже догадались. Например, с какой стати будут слипаться разнородные фрагменты, если с не меньшим успехом могут слипнуться и однородные? Могут, конечно, но это уже техническая проблема разделения различных молекул ДНК, ее ученые умеют решать.

Впервые идею генной инженерии воплотил в жизнь в самом начале 1970-х годов американский биохимик Пол Берг (род. 1926 г.). Он соединил в одно целое фрагменты ДНК вируса (бактериофага) SV40 и бактерии Escherichia coli . Это принесло ему в 1980 году Нобелевскую премию по химии, которую он разделил с Фредериком Сенгером. Берг проторил путь к генетически модифицированным организмам. Что интересно, он сам свернул работы в этой области, прислушавшись к мнению многих своих коллег и широкой общественности, что эти “игры в бога” могут привести к непредсказуемым результатам. Сначала жесткое государственное регулирование в этой области, а уж потом научные исследования, полагал Берг. Осторожность и трезвая оценка рисков, конечно, необходимы, вот только нельзя отдавать это на откуп чиновникам, которые мало того что ничего не понимают в науке, так еще вынуждены угождать наиболее громкоголосой части электората, на подсознательном уровне страшащегося всего нового и неизвестного.

Впрочем, такой осторожный подход разделяли далеко не все ученые. Джинн был выпущен из бутылки, более того, идея лежала на поверхности, ее могли реализовать и другие исследователи. В историю вошел Герберт Бойер.

Он был на десять лет моложе Берга и принадлежал, в сущности, к другому поколению ученых. Открытие ДНК случилось, когда он заканчивал школу. Крик и Уотсон стали его кумирами, а исследование ДНК – целью жизни. Его научная карьера шла по восходящей: защита кандидатской диссертации в Питсбургском университете, трехлетняя стажировка в Йеле, ассистент-профессор в Университете Калифорнии в Сан-Франциско. Занимался он рестриктазами.

В 1972 году на конференции на Гавайях Бойер познакомился со своим ровесником Стенли Норманом Коэном [24] , работавшим вместе с Бергом в Стэнфордском университете. Коэна интересовал вопрос о том, как у бактерий вырабатывается иммунитет к действию антибиотиков и как гены передаются от бактерии к бактерии с помощью плазмид – замкнутых в кольцо молекул ДНК. Коэн и Бойер работали в разных областях науки, но в ходе непринужденной беседы на вечеринке нашли точку соприкосновения их научных интересов, где они могли быть взаимно полезными.

Идея, которую они реализовали в ходе совместной работы, заключалась в следующем: они разрезали в одном месте плазмиду, вставили в это место чужеродный ген – ген устойчивости к тетрациклину – и спаяли вновь образованную кольцевую молекулу. Затем они ввели ее в бактерию, точнее говоря, бактерия сама ее поглотила, есть у них такая характерная особенность – заглатывать из окружающей среды все молекулы, похожие на плазмиды. При размножении бактерии эта плазмида, вместе с введенным в нее чужеродным геном, была скопирована, давая начало штамму генетически модифицированных бактерий, устойчивых к действию антибиотика.

Так Бойер с Коэном получили в 1973 году первый генетически модифицированный живой организм. Это само по себе было важным научным результатом, но они держали в голове другую, далеко идущую практическую цель. Они, например, внедрили в плазмиду ген, ответственный за синтез соматостатина – пептидного гормона роста, состоящего из четырнадцати аминокислот. Ну а где пептиды, там и белки. Бойер внедрил в плазмиду бактерии ген, ответственный за синтез человеческого белка. Полагаю, вы уже догадались, какого белка – инсулина.

Молекулярные машины живых клеток, как мы помним, универсальны в том смысле, что им безразлично, что производить, лишь бы все было по правилам. Универсален и код ДНК, лежащий в основе всего живого. Поэтому ферменты бактерии ничтоже сумняшеся копируют введенный ген, переводят его в РНК, а затем синтезируют на ее основе чуждый ей белок, превращаясь в фабрику по производству нужного нам вещества. Остается только каким-то образом выделить его из бактерий, но это уже техническая проблема. Особенно приятно, что эти “фабрики” способны саморазмножаться. Все, что от нас требуется, – это снабжать их питательными веществами, необходимыми как для размножения, так и для производства белка.

Бойер использовал в своих исследованиях еще одну техническую новинку – разработанный Меррифилдом машинный метод синтеза, о котором я рассказывал в предыдущей главе. Возьмем тот же соматостатит, состоящий из четырнадцати аминокислот. Он кодируется последовательностью из сорока двух (14×3) нуклеотидов. Синтезировать такую цепочку из отдельных нуклеотидов было вполне по силам даже при тогдашнем уровне развития техники. На самом деле надо было синтезировать две комплементарных цепочки, а затем соединить их в молекулу ДНК, но это всего лишь увеличивает время и затраты вдвое, не меняя ничего по сути. Ген, ответственный за синтез инсулина, намного длиннее, но Бойер решил и эту проблему. И именно этот ген он вшивал потом в плазмиду. Вы только вдумайтесь: бактерии с введенным искусственным геном производят человеческий инсулин, который ежедневно спасает от диабетической комы сотни миллионов человек на планете! И все это было сделано в 70-х годах прошлого века, менее чем через четверть столетия после расшифровки структуры ДНК.

Многие полагают, что за все это Бойеру следовало дать Нобелевскую премию. Но он ее не получил. Почему – об этом чуть позже.

В этой истории есть еще два интересных момента. Коэн с Бойером получили патент на разработанную ими технологию. Но роялти по нему получали университеты, где были выполнены исследования. Выплаты превысили сорок миллионов долларов, для Университета Калифорнии в Сан-Франциско это были рекордные в истории выплаты по одному патенту. При чем здесь Коэн с Бойером? Правильно, ни при чем, они ведь выполняли эти работы в “плановом” порядке, получая за это зарплату. Это к вопросу о пресловутой интеллектуальной собственности, которая, как нас пытаются убедить, служит главным движителем научных исследований. Настоящими учеными двигает страсть к познанию, они работают не ради собственности, а за идею, они просто не могут не делать открытий, пусть мелких, как писатель не может не писать книги, а поэт – записывать рождающиеся в его душе стихи. Ученым, как и всем людям, свойствен дух соперничества, они, естественно, мечтают о приоритете, но это не имеет ничего общего с интеллектуальной собственностью. О ней они, да и то не все, задумываются лишь потом, наблюдая, как кто-то другой наживается на их разработках.

Впрочем, к Бойеру это не относится. С ним случилась другая история, которую любят описывать в учебниках по бизнесу, венчурному финансированию и “инновациям в хай-теке”. В 1976 году к Бойеру обратился двадцативосьмилетний предприниматель Роберт Свенсон, прослышавший о научных открытиях Бойера. Согласно легенде, профессор смог уделить бизнесмену пятнадцать минут, но за это время Свенсон ухитрился уговорить его основать биотехнологическую компанию, названную Genetic Engineering Technology, сокращенно Genentech. Они внесли по пятьсот долларов в уставной капитал компании, Свенсон привлек со стороны средства для покупки оборудования и оплаты труда персонала, через два года в компании была разработана упомянутая уже технология получения инсулина, еще через десять Бойер и Свенсон стали мультимиллионерами. В 2009 году фармацевтический концерн “Hoffmann-La Roche” купил компанию “Genentech” за 46,8 миллиарда долларов.

Будучи вице-президентом компании, Бойер продолжал преподавать в университете, а в 1990 году сделал взнос в десять миллионов долларов на развитие Йельской школы медицины и создание Бойеровского центра молекулярной медицины. Но это уже не могло спасти его безнадежно погубленную научную репутацию: он предал идеалы науки и продал гены за презренный металл! То ли дело Коэн – он остался “чистым” профессором! Злые языки утверждают, что именно поэтому Бойер и не получил Нобелевскую премию. Ведь ученым не чуждо ничто человеческое, и многие из них ревниво относятся к доходам своих соседей и коллег.

Я хочу рассказать вам еще об одном открытии, которое, на мой взгляд, входит в десятку важнейших открытий в химии за последние полвека. Речь пойдет о полимеразной цепной реакции – ПЦР. О ней слышали все, кому довелось посещать современные диагностические центры. Так что против обыкновения начну с технологии.

Представьте, что у вас в руках находится образец ДНК, выделенный из какой-нибудь окаменелости или из вашего собственного организма, вырезанный с помощью рестриктазы из ДНК бактерии или полученный искусственно с помощью автоматического синтезатора. Во всех этих случаях вы располагаете очень маленьким количеством ДНК, подчас одной только молекулой. Проанализировать ее нет никакой возможности – не хватает чувствительности самых мощных современных методов. Единственный выход – каким-то образом размножить эти молекулы ДНК. Но как это сделать?

Природа это делать умеет, удвоение ДНК происходит при каждом делении клетки. Процесс этот очень сложный, выше я описал лишь вершину айсберга, на самом деле в репликации ДНК помимо хеликазы и ДНК-полимеразы участвует множество других ферментов и белков, и нет никакой надежды на то, что нам удастся заставить их работать в пробирке так же слаженно, как в живой клетке. И тем не менее приведенных мною сведений более чем достаточно для осуществления этого процесса. Напомню главный момент: для начала работы ДНК-полимеразе необходима затравка, называемая праймером. В клетке праймеры синтезирует специальная молекулярная машина, а у нас для этого есть автоматический синтезатор.

Итак, для разъединения цепей нам не нужна никакая хеликаза, для этого достаточно просто нагреть водный раствор почти до кипения. Затем добавим в раствор праймеры, соответствующие концевым участкам обеих цепей [25] , и начнем охлаждать раствор. В отсутствие праймеров цепи бы вновь соединились, но праймеров мы добавили много, они первыми успевают к концам цепей и прочно связываются с ними. Затем мы охлаждаем раствор до температуры, при которой хорошо работает ДНК-полимераза, добавляем ее в раствор вместе с набором нуклеотидов, и фермент немедленно начинает пристраивать их к праймеру, наращивая комплементарную цепь ДНК. В результате мы получим две точные копии исходной молекулы ДНК. А затем мы вновь нагреем этот раствор почти до кипения…

Так начинается своеобразный цепной процесс с удвоением количества молекул ДНК в каждом цикле, так называемое амплифицирование ДНК. Нетрудно подсчитать, что за 25 циклов образуется около 30 миллионов копий – количество, более чем достаточное как для анализа рутинными методами, так и для последующих превращений. Продолжительность цикла зависит, естественно, от длины молекулы ДНК. В основном копируют фрагменты длиной до 3000 пар нуклеотидов, на проведение одного цикла требуется 1–3 минуты. Но возможно копирование молекул ДНК с длиной до 40 тысяч пар нуклеотидов.

Для практических нужд чрезвычайно важно, что ПЦР позволяет скопировать определенный фрагмент молекулы ДНК. Праймеры при этом выполняют роль колышков, которые мы вбиваем в молекулу ДНК, говоря ДНК-полимеразе: строй от сих до сих. Таким образом, нет необходимости разрезать молекулу ДНК на части и выделять требуемый ген, можно его скопировать и размножить напрямую.

Теперь о человеке, который все это придумал. Зовут его Кари Маллис. Родился он в 1944 году в небольшом городке в штате Северная Каролина, с детства интересовался математикой, физикой и химией (в основном взрывчатыми веществами), образование получил химическое, увлекаясь тем же, чем и все студенты того времени, – ЛСД и все такое прочее. После окончания университета не много позанимался бизнесом, в 1972 получил степень Ph.D. по биохимии в Университете Калифорнии в Беркли, будучи аспирантом, увлекся астрофизикой и опубликовал статью с амбициозным названием “Космологические последствия обращения времени” в журнале “Nature”, ни много ни мало. После защиты диссертации бросил науку ради сочинительства романов, два года управлял пекарней, в 1979 году устроился работать химиком-синтетиком в небольшую биотехнологическую компанию “Cetus” в Калифорнии. Дважды разведен, трое детей. С точки зрения любого нормального человека – полный неудачник.

Сам он так, естественно, не считал и продолжал размышлять над великими вопросами. И вот однажды весной 1983 года, в пятницу вечером, возвращаясь с работы, он задался тем же вопросом, что и мы: как размножить ДНК? Ответ пришел в виде озарения. Как рассказывал сам Маллис, он был потрясен красотой идеи, он даже остановился у придорожного киоска, купил бумагу и ручку и стал подсчитывать, сколько же в придуманной им реакции получается ДНК. Числа вы уже знаете, они большие. Весь уик-энд Маллис промучился сомнениями. Идея была хоть и красивой, но очень простой, она была суммой нескольких общеизвестных фактов, казалось невероятным, чтобы кто-то уже не попробовал ее реализовать. В понедельник ни свет ни заря Маллис поехал на работу, чего с ним отродясь не случалось, и все ради того, чтобы покопаться в библиотеке и убедиться в том, что ничего подобного в научной литературе нет.

Идея была проста, но претворить ее в жизнь оказалось непросто – первую успешную реакцию ПЦР Маллис осуществил только по прошествии нескольких месяцев. На окончательную отработку методики ушло еще три года. Дело в том, что в описанной мною схеме есть существенный изъян, который вы, возможно, заметили. В начале каждого цикла водный раствор нагревают почти до кипения, ДНК-полимераза такого не выдерживает и денатурирует. Так что Маллису приходилось каждый раз добавлять после охлаждения свежую ДНК-полимеразу, а это лишний расход дорогого фермента и дополнительное загрязнение раствора. И тут Маллис обратил внимание на класс термостабильных ДНК-полимераз, выделенных незадолго до этого из бактерий Thermus aquaticus , обитающих, как понятно из названия, в горячих водах термальных источников.

Их описали несколько групп исследователей, в том числе советский биохимик Алексей Каледин в 1980 году [26] . Эти полимеразы выдерживали кипячение в водном растворе и работали при 70 °С. Так ПЦР обрела законченный вид.