Nobela prēmija ķīmijā 2009

Detaļas: Publicēts 24 Oktobris 2009

Nobela prēmiju ķīmijā šajā gadā sadalīs trīs bioķīmiķi: Ada Jonata (Ada E. Yonath) no Vaicmana institūta Izraēlā, Venkatramans (Venki) Ramakrišnans (Venkatraman "Venki" Ramakrishnan), ASV pilsonis, kas šobrīd strādā Kembridžas universitātes Medicīniskās pētniecības Padomes Molekulārās bioloģijas laboratorijā, un Tomass Staics (Thomas A. Steitz) no Jēla universitātes.

Prēmija ir piešķirta par "ribosomu uzbūves un darbības pētījumiem" ("for studies of the structure and function of the ribosome"). Ribosomas, kuru struktūras un darbības mehānisma izpētē šīs prēmijas laureātiem bija izšķiroša loma, ir neatņemams visu dzīvo šūnu komponents. Ar to palīdzību uz informācijas RNS matricas šūnās tiek sintezētas visas olbaltumvielas, to skaitā arī fermenti, kas vada visus šūnā notiekošos ķīmiskos procesus.

Ada Jonata piedzima 1939. gadā ļoti nabadzīgā ebreju imigrantu ģimenē. 1962. gadā viņa ieguva bakalaura grādu ķīmijā, bet 1964. gadā - maģistra grādu bioķīmijā Jeruzalemes Ebreju universitātē. Nozīmīga pētnieces tālākās zinātniskās karjeras daļa bija saistīta ar Vaicmana Institūtu Rehovotā, kur 1968. gadā viņa ieguva doktora grādu par kristālu struktūras pētījumiem, izmantojot rentgenu. 1969.-1970. gadā Jonata strādāja ASV, tai skaitā Masačūsetsas tehnoloģiskajā institūtā. No 1988. gada viņa strādā par profesoru Veicmana Institūta strukturālās bioloģijas nodaļā, kas pēta bioloģisko molekulu kompleksus. Paralēli darbam Veicmana Institūtā Ada Jonata lasīja lekcijas un vadīja pētījumus vairākās citās zinātniskajās iestādēs Izraēlā, Vācijā un ASV.

Venki Ramakrišnans piedzima 1952. gadā Čidambaramas pilsētiņā Indijas dienvidos, brahmaņu kastas ģimenē. Viņa bērnība noritēja citā Indijas pilsētā - Barodā (tagad sauktā par Badodaru), kur viņš vēlāk arī mācījās universitātē un 1971. gadā ieguva bakalaura grādu fizikā. Tad Ramakrišnans aizbrauca uz ASV, kur 1976. gadā ieguva doktora grādu - arī fizikā - Ohaijo Universitātē. Pēc tam Venki nolēma pamest fiziku un nodarboties ar bioloģiju. Divus gadus viņš mācījās bioloģiju Kalifornijas universitātē Sandjego, pēc tam strādāja Jēla Universitātē (kurā sākās viņa pētījumi par ribosomām) un dažās citās ASV zinātniskajās iestādēs, bet 1999. gadā pārbrauca uz Angliju, kur vadīja izpētes grupu Molekulārās bioloģijas laboratorijā Kembridžas universitātē. Kopš 2008. gada Ramakrišnans ir arī Kembridžas universitātes Trīsvienības koledžas līdzstrādnieks.

Tomass Staics piedzima 1940. gadā Milvokos (Viskonsīnas štatā). Viņš ieguva bakalaura grādu ķīmijā Laurensa Universitātē Viskonsinā, bet pēc tam mācījās Hārvārdā, kur 1966. gadā ieguva doktora grādu bioķīmijā un molekulārajā bioloģijā. No 1967. līdz 1970. gadam viņš strādāja Kembridžas universitātes Medicīnas izpētes padomes Molekulārās bioloģijas laboratorijā, kur šobrīd ir molekulārās biofizikas un bioķīmijas profesors. Līdztekus Jēla universitātei, Staics ir arī līdzstrādnieks Hovarda Hjūza Medicīnas institūtā (Howard Hughes Medical Institute). Arī Tomasa Staica sieva Džoana Staica ir molekulārās biofizikas un bioķīmijas profesore Jēla universitātē.

Kaut arī formulējums "par ribosomu uzbūves un darbības pētījumiem" ir diezgan izplūdis, spriežot pēc visa, šo prēmiju ir piešķīruši par pavisam konkrētiem sasniegumiem - pirmajiem ribosomu struktūras modeļiem atomārā līmenī, kas iegūti ar rentgenostrukturālās analīzes palīdzību.

Ribosomas ir gluži kā olbaltumvielu fabrikas, kas darbojas visās šūnās. Prokariotu ribosomas ir mazāka izmēra, nekā eikariotiskajām šūnām, taču gan vienas, gan otras sastāv no divām apakšvienībām - lielās un mazās, kuras abas ir veidotas no vairākām RNS molekulām (tā ir tā sauktā ribosomu RNS, jeb rRNS) un dažiem desmitiem dažādu olbaltumvielu. Ribosomu darbības mehānisms tiek pētīts ne vienu vien gadu desmitu, taču daudzas šī mehānisma detaļas vēl aizvien nav izdevies noskaidrot, un kaut cik sīki ribosomu uzbūves modeļi tika iegūti tikai 20. un 21. gadsimta mijā.

Rentgenostrukturālās analīzes metodes ļauj spriest par bioloģisko makromolekulu un to kompleksu uzbūvi (piemēram, 1953. gadā šīs metodes palīdzēja noteikt DNS struktūru). Šīs analīzes metodes pamatā ir makromolekulu kristālu iegūšana un to caurstarošana ar rentgena stariem. Tomēr vēl 20. gadsimta astoņdesmitajos gados vēl nevienam nebija izdevies iegūt analīzei derīgus kristālus nedz no pilnām ribosomām, nedz arī atsevišķām to apakšvienībām.

Pirmos veiksmīgos mēģinājumus kristalizēt ribosomas, lai pētītu to uzbūvi ar rentgena staru palīdzību, astoņdesmitajos gados veica Ada Jonata Berlīnē un, neatkarīgi no viņas, grupa no Olbaltumvielu institūta Puščino pilsētā (Krievijā), kurā piedalījās Marats un Guļnara Jusupovi, kas ribosomu pētījumus vēlāk turpināja Rietumos. Taču nopietns izrāviens šajā jomā notika tikai deviņdesmito gadu sākumā, kad Adas Jonatas grupa nodemonstrēja iespēju iegūt kristālus no prokariotiskās ribosomas lielās apakšvienības, kas deva difrakcijas attēlu ar izšķirtspēju, kas ļauj noteikt atsevišķu atomu novietojumu (līdz 3 Å un mazāk; atzīmējams, ka ribosomas izmērs ir apmēram 200 Å). Taču pirmos ticamos ribosomu struktūras modeļus izdevās iegūt tikai pēc tam, kad kristalizācijas tehnoloģiju un rentgenostrukturālo datu analīzes metodiku kopīgu pētījumu gaitā pilnveidoja Pītera Mūra (Peter Moore) un Tomasa Stainca grupas Jēla universitātē. 2000. gadā žurnālā Science tika publicēts kopīgs šo grupu raksts, kurā pirmoreiz bija sīki (ar atoma izmēru izšķirtspēju) aprakstīta baktēriju ribosomas lielās apakšvienības struktūra.Tajā laikā Venki Ramakrišnana grupa, kas strādāja Molekulārās bioloģijas laboratorijā Kembridžā, ieguva tikpat sīku modeli par citas baktēriju sugas ribosomas mazās apakšvienības uzbūvi, un tajā pašā gadā žurnālā Nature par to tika publicēts raksts. Gandrīz vienlaicīgi iznāca arī Adas Jonatas un viņas līdzstrādnieku raksts - viņi ar baktērijas ribosomas mazo apakšvienību bija panākuši gandrīz tādu pašu rezultātu, kaut arī bija vairākas reizes kļūdījušies, kā vēlāk noskaidrojās, tās struktūras interpretācijā.

Veselas ribosomas (tas ir, visa kompleksa, kas sastāv no lielās un mazās apakšvienības un transporta RNS jeb tRNS, kas piegādā ribosomai aminoskābes) struktūras modelis ar mazāk detalizētu izšķirtspēju (7,8 Å) pirmoreiz tika iegūts 1999. gadā Harija Nollera laboratorijā (Harry F. Noller) Kalifornijas universitātē Santa Krūzā, piedaloties Maratam un Guļnarai Jusupovai, kas tai laikā jau strādāja pie Nollera. Pēc 1999. gada publikācijas sekoja vēl viena 2001. gadā, kurā veselas ribosomas struktūra bija aprakstīta ar izšķirtspēju 5,5 Å - tuvu atomu izmēriem. Turpmāk vairākām laboratorijām, ieskaitot arī Nollera laboratoriju, izdevās iegūt veselas ribosomas struktūras modeļus arī ar atomāro izšķirtspēju. Pirmo tādu modeli (ar izšķirtspēju 2,5 Å) piedāvāja grupa, kuru vadīja Džeimijs Keits (Jamie H.D. Cate) no Kalifornijas universitātes Bērklijā.Apmēram divas trešdaļas no ribosomas masas veido RNS, bet apmēram trešdaļu - olbaltumvielas. Ribosomu uzbūves un darbības pētījumi parādīja, ka funkcionālā slodze ribosomās gulst vispirms uz pašu RNS. Tādējādi ribosomas pēc būtības ir gigantiski ribozīmi. Šis atklājums liecina par labu hipotēzei, saskaņā ar kuru pirmajos dzīvības pastāvēšanas etaps tā veidoja "RNS pasauli": RNS molekulas nodrošināja gan iedzimtības informācijas glabāšanu, gan arī vadīja ķīmiskos procesus, kas bija nepieciešami šīs informācijas nolasīšanai un kopēšanai; vēlāk šīs funkcijas evolūcijas gaitā tika nodotas atbilstoši DNS un olbaltumvielām.

Priekšstatiem par ribosomu struktūru ir arī tiešs praktisks pielietojums. Daudzas antibiotikas, kas tiek izmantotas infekcijas slimību ārstēšanai, darbojas, tieši pateicoties baktēriju ribosomu darbības nomākšanai. Jonatas, Ramakrišnana un Staica laboratorijās bija iegūti dati par vairāku tādu antibiotiku darbības mehānismu. Šos datus jau tagad izmanto jaunu antibiotiku izstrādei un esošo pilnveidošanai. Šis uzdevums ir diezgan aktuāls, jo slimības izraisošās baktērijas nepārtraukti evolucionē, kļūstot izturīgas pret medicīnas praksē izmantotajiem līdzekļiem, un farmācija šajās nepārtrauktajās "bruņošanās sacīkstēs" nedrīkst atpalikt no baktērijām. Katru Nobela prēmiju var sadalīt ne vairāk kā trim cilvēkiem, un šo trīs cilvēku izvēle no daudzajiem cienīgajiem pretendentiem var būt strīdīga un gandrīz vienmēr atstāj ēnā zinātniekus, kuru ieguldījums ar prēmiju apbalvotajā atklājumā ir ne mazākas uzmanības vērts. Tā notika arī šajā reizē. To izcilo ribosomu struktūras pētnieku skaitā, kas neiekļuva starp šīs prēmijas laureātiem, ir arī Pīters Mūrs, Džeimijs Keits un Marats Jusupovs. Taču īpaši netaisnīgi ir tas, ka laureātu vidū nav Harija Nollera, kas pirmais parādīja ļoti nozīmīgo RNS lomu ribosomu darbībā, pirmais nolasīja ribosomu RNS nukleotīdu secību un noskaidroja tās otrējo struktūru (to, kā tā ir savīta), nokartēja piesaistes vietas vairumam ribosomas ligandu, pirmais noteica veselas ribosomas un tRNS molekulu kompleksa struktūru - un tomēr izrādījās ceturtais liekais.

Kaut arī Nobela prēmijas komitejas veikto trīs laureātu izvēli var uzskatīt par strīdīgu, pats zinātniskais sasniegums, par ko viņi ir apbalvoti, pilnīgi droši ir cienīgs saņemt Nobela prēmiju ķīmijā. Ribosomu uzbūves pētījumu gaitā tika pilnveidotas rentgenostrukturālās analīzes metodes, kas ļāva ar atomāru izšķirtspēju aprakstīt ribosomu mijiedarbību ar olbaltumvielām un tRNS molekulām, kā arī izmaiņas, kas notiek ribosomu struktūrā olbaltumvielu sintēzes procesā. Šobrīd ribosomas ir paši lielākie nesimetriskie makromolekulārie kompleksi ar noteiktu struktūru (vīrusu uzbūvi vieglāk pētīt, jo tiem piemīt simetriskums). Var gaidīt, ka turpmāk rentgenostrukturālo analīzi veiksmīgi pielietos arī citu lielu makromolekulāru struktūru uzbūves un darbības izpētei - piemēram, varētu pētīt splaisosomas, kas izgriež no informācijas RNS priekštečiem nekodējošās nukleotīdu secības (intronus).

Galvenie avoti:

1) Richard Van Noorden. Ribosome clinches the chemistry Nobel // Nature News. Published online 7 October 2009.
2) Robert F. Service. 2009 Chemistry Nobel honors work on ribosomes // ScienceNOW Daily News. Published online 7 October 2009.
3) The Nobel Prize in Chemistry 2009 (paziņojums Nobela prēmijas komitejas vietnē).

Skatīt arī:

1) Elizabeth Pennisi. The race to the ribosome structure // Science. 24 September 1999. V. 285. P. 2048-2051.

Pjotrs Petrovs

Ilmāra Cīruļa tulkojums

Raksts pārpublicēts no elementy.ru