Статья с нобелевским лауреатом

Захотелось мне написать нормальный, не художественный, пост о химической статье. Открыл я последний выпуск журнала ACS Central Science, в котором исследовательских статей всего 11 штук – легко выбрать, и все в открытом доступе.

Поначалу мне приглянулось получение комплекса нитрида фосфора (P≡N), но потом я решил применить объективный критерий и написать о самой просматриваемой статье в номере. У нитрида фосфора всего 2300 просмотров, а у статьи «Сайт-специфическая биоконъюгация через ферментативное образование связи тирозин–цистеин» – больше 4300. Пригляделся я к списку авторов и понял, откуда такой интерес.


Из 12 авторов у троих после имени стоит звездочка, отмечающая, что это начальство, которому следует адресовать письма по поводу статьи (иногда раздача звезд, как и порядок авторов, может стать предметом ожесточенных споров). Кто такой Кристоф Феллманн, я не знаю, а вот Мэттью Фрэнсиса и Дженнифер Даудну с химического факультета Беркли я лично видел на семинарах, когда там работал (в русской Википедии ее называют Дудной, но она сама в роликах на ютубе говорит «Даудна»).

Дженнифер Даудна уже была научной суперзвездой неделю назад, когда я выбирал статью для чтения. Стоило ей сослаться на новую публикацию своей группы в твиттере, как подписчики пошли читать и ретвитить. А потом в среду 7 октября ей совместно с Эмманюэль Шарпантье присудили Нобелевскую премию по химии за редактирование генома с помощью белка Cas9. Популяция подписчиков у Даудны в твиттере за неделю выросла с 18 до 26 тысяч.


Cas9 – бактериальный белок, который можно направить, чтобы он разрезал молекулу ДНК в определенном месте. Но для начала он должен попасть внутрь клетки, например, мышиной. Рассматриваемая нами статья показывает, как можно в 20 раз увеличить эффективность доставки Cas9 внутрь клетки, если пришить к нему транспортные пептиды.


По правде говоря, главный в этой статье Фрэнсис, а не Даудна. Его группа много лет изучает селективные модификации аминокислотных остатков и образование связей между белками. И первый автор – его аспирант, и ссылок на статьи Фрэнсиса 12, а на статьи Даудны только две. Но его имя вряд ли привлекло бы такое внимание.


Группа Фрэнсиса разработала способ соединить белки через остатки тирозин–цистеин. А роль Даудны – дать пример белков, которые можно соединить так, чтобы от связи между ними был практический и рекламный смысл.

По мере развития науки белки из туманных кружков с загадочной структурой превратились в просто большие химические молекулы, которые могут вступать в точно такие же химические реакции, что и соответствующие маленькие молекулы. Поэтому и Нобеля за работу с белками или нуклеиновыми кислотами теперь справедливо дают по химии, а не по физиологии и медицине.

Чтобы соединить два белка, Фрэнсис использовал третий белок – фермент тирозиназу, в активный центр которого входят атомы меди. Сколько природа ни эволюционировала, но так и не придумала, как проводить окислительно-восстановительные реакции, не прибегая к переходным металлам. (Кстати, мой проект в Беркли был по металлопротеинам, но читать о них мне нравится больше, чем самому работать с клетками). Картинка активного центра тирозиназы взята из этой статьи:


В природе тирозиназа катализирует окисление свободной аминокислоты тирозина и похожих фенолов. Эта реакция играет важную роль в синтезе пигмента меланина, который делает кожу темной, и если тирозиназа работает плохо, получаются животные-альбиносы:


В то же время тирозиназа ответственна за потемнение при хранении многих фруктов (от бананов до яблок) и грибов, поэтому важная задача пищевых химиков – ее ингибировать. В своей работе Мэттью Фрэнсис использовал коммерческую тирозиназу из шампиньонов Agaricus bisporus:


Он заметил, что этот фермент может окислять не только свободную аминокислоту, но и боковые цепи тирозинов, входящих в состав белков, если они расположены возле N- или C-конца белковой молекулы. Окислителем служит кислород из растворенного в буферной среде воздуха, и тирозин окисляется до L-допахинона. Этот орто-бензохинон является сильным электрофилом и вступает в быструю реакцию с такими нуклеофилами, как -SH группы цистеина:

Вот таким образом к двум цистеинам на поверхности белка Cas9 пришили пептиды, у которых был тирозин на N-конце и которые помогают Cas9 попасть внутрь клетки. Конъюгация занимает не более 2 часов, а полученное соединение стабильно в сыворотке крови человека в течение 7 дней. Отдельно проверили, что способность Cas9 разрезать ДНК-мишень после добавления пептидов остается неизменной.

В этом журнале помимо исследовательских статей публикуются заметки под названием First Reactions («первые реакции»). Они чем-то похожи на этот мой пост: краткий пересказ чужих результатов и субъективные мысли на заданную тему. В заметке об этой статье двое ученых из английского Кембриджа предположили, что раз у Cas9 есть два доступных цистеина, на один из них можно повесть транспортный пептид, а на другой, например, флуоресцентную метку. Но Фрэнсис с Даудной таких тройных химер не делали.

По ходу чтения я не мог отделаться от мысли, что описываемая реакция слишком уж очевидная, чтобы ее никто не открыл раньше. Так и оказалось: в одной из ссылок Фрэнсис указывает, что использование тирозиназы для превращения остатков тирозина в хиноны и последующие реакции с нуклеофилами или диенофилами были описаны еще в 1984 году. Надо глубоко разбираться в теме, чтобы понять, что принципиально нового предлагает Фрэнсис.

Зоопарк биоконъюгаций напоминает мне ситуацию с сочетаниями маленьких молекул: тысячи статей, каких только катализаторов не предложено. Кажется, можно сшить что угодно с чем угодно, а как потребуется на практике соединять реальные объекты, ничто не работает. Нужно продолжать разрабатывать методы, более универсальные, надежные и простые.

И у меня сложилось впечатление, что реально инновационные открытия люди продолжают публиковать в старом добром JACS, а в ACS Central Science посылают специфические штуки. Вот и к Cas9 Даудна такие пептиды уже присоединяла раньше, но другим способом. Что, правда, не помешало Беркли подать заявку на патент по итогам этой статьи.

У Даудны помимо грантов и титулов перечислены потенциальные финансовые конфликты из-за многочисленных компаний, которые она соосновала. Предсказывали, что Нобеля за CRISPR-Cas9 не дадут, пока суды не уладят все патентные споры вокруг редактирования генома. Но вот дали же.

Химическое - нехимическое

Сегодня я посетил Aldrich Lecture, которую читал на химфаке Юты проф. Scott Miller из Йеля. Поразить он меня не поразил, но во время семинара я не заснул, и кто хорошо меня знает, поймет, что это высокая оценка докладчика.


Давненько я не был на семинарах. Осенью ходил на пять штук:
1) физорганика Herbert Mayr'а (Мюнхен) - научного руководителя моего однокурсника и одного из многочисленных наших коллабораторов по карбен-борановому проекту;
2) органика Nicholas Hud'a (ГаТех) - единственного химика, который получил NSF финансирование на изучение origin of life;
3) a chair of Department of Chemistry at U of U - prof. Cynthia Burrows, которая рассказывала нечто интересное и междисциплинарное, но мне все же не до конца понятное;
4) местного биолога, изучающего в том числе абиогенное образование органических веществ рядом с hydrothermal vents на дне океанов;
5) Профа из Northwestern'a, который очень интересно рассказывал об экзопланетах.

Потом наступила зима, не самое веселое время года. Никаких интересных лекций не было, но сегодня я все же решил добраться до кампуса. Представлял докладчика ютовский проф. Мэтью Сигман - большой друг и коллаборатор Скотта. Он поведал о том, как Скотт, получив в 1994 году PhD в Гарварде с Дэвидом Эвансом, сел на поезд Amtrak и отправился через всю страну в Калтех к Бобу Граббсу, который тогда как раз открывал катализаторы Граббса. И с самим Сигманом они тоже познакомились в поезде, и пока они ехали с какой-то конфы, Скотт убедил Мэтью, тогда постдока у Джейкобсена, идти в академию, а не в индустрию. Так началась их большая дружба и многолетнее сотрудничество в асимметричном катализе ("A romantic story", - шутливо прокомментировал Скотт).


Скотта Миллера я уже слушал года четыре назад в Питтсбурге. Занимается он тем, что методично ищет пептидные катализаторы для стерео- и региоселективных превращений. В тот раз он рассказывал о том, как они пытаются селективно модифицировать гидроксигруппы антибиотика ванкомицина (которых у него 9 штук). За прошедшие годы они пытались его вдобавок селективно бромировать и занялись модификацией еще более сложного вещества по имени teicoplanin. Еще одним текущем проектом является поиск катализаторов для селективного эпоксидирования нетерминальной двойной связи сквалена. (Эх, циклизация сквалена - реакция, которую как мы только ни крутили на четвертом курсе на ХПС).

Что ж, добротная такая химия, с потенциальным применением, но вот только очень уж медленный у них прогресс: пептидные катализаторы, которые они используют, не снимая защитных групп, весьма массивные и отыскиваются тупым скринингом, а селективность в скромноватые 86% ee вызывает восторг. Со скваленом у них, кстати, пока ничего не получается.


Заставило ли такое краткое прикосновение к серьезной химии чаще биться мое сердце? Соскучился ли я по ней? Не этими ли руками я когда-то сам ставил реакции - самому не верится.

Я уже давно не просматриваю graphical abstracts новых статей в JACS и ACIE - хватает Google Alerts на важные для меня темы и людей.
Я давно не читал химические блоги (но я в курсе, что нашумевшая в августе история с "make up the elemental analysis" в Organometallics закончилась ничем: никто не виноват).
Я не собираюсь продлевать членство в ACS - вместо кружки с бором (а это для меня особый элемент) на пятилетие membership'а они прислали мне лишь какую-то бумажку.
Я вышел из Reaxys Prize Guidance Team (группа финалистов Reaxys Prize, обсуждающая по скайпу раз в месяц всякие идеи химического софта, поиска и паблишинга). Формально заявил, что у меня не хватает на все эти вещи времени. Реально - я предвидел потенциальный конфликт интересов и решил, что лучше уйти сейчас.

Я пытался изменить химии с физикой и даже с астробиологией. Но дочитав в библиотеке книжку Хокинга, я туда больше не возвращался. И прослушав на Coursera курс по астробиологии (в первую очередь для того, чтобы понять, что это за зверь такой Coursera), не узнал ничего нового.


А вчера наткнулся на Journal of Systems Chemistry - это же то, чем я хочу заниматься. Буду ли я когда-нибудь, как раньше, читать по вечерам статьи; может быть, даже ставить эксперименты? Будущее как никогда туманно. Но мое сердце отдано химии, и я хочу верить, что когда-нибудь вернусь к ней. По крайней мере, я попытаюсь. Не сейчас, но когда-нибудь.

Ранний химик Ломоноссофф

Иногда, от нечего делать, я читаю самые разные статьи, например, интересно же, о чем писал наш любимый JACS сто лет назад. Каково же было мое удивление, когда я обнаружил, что второй нумер 34-аго тома за 1912 год открывается довольно длинной статьей озаглавленной “An Early Physicsl Chemist – M. W. Lomonossoff”.

Существует справедливое мнение, что М. «дабл ю» Ломоносов чрезмерно распиарен в России, но практически неизвестен на Западе. У нас в честь него названы университеты, мосты, станции метро, медали, горные хребты и город Ораниенбаум. Памятники Ломоносову попадаются тут и там, его стихи входят в школьную хрестоматию, разве что песен о Ломоносове я не смог припомнить. А вот знают ли американцы и прочие шведы, как архангельский мужик стал разумен и велик? (Про Менделеева, например, знают неплохо).

И вот оказалось, что 100 лет назад кое-кто знал и о Ломоносове. Статья оказалась докладом президента Американского Химического Общества (АХО = ACS) Александра Смита на встрече АХО в Вашингтоне 28 декабря 1911 года.

Знаете такого химика? Я не знал, но вот оказывается был такой. Родился в Эдинбурге, учился в Мюнхене, работал в Чикаго, потом в Нью-Йорке и как-то по ходу побывал президентом АХО. Портрет отсюда.
И вот решил Смит рассказать американским химикам об их раннем физическом коллеге Ломонософфе (привет собравшимся в Сан-Диего! Сегодня вам про Ломоносова никто не расскажет. Нынешний президент будет болтать о jobs, outreach, equality и пр.). Начал проф. Смит издалека, с того, что со времен Роберта Бойля слава первооткрывателя в науке часто закреплялась не за тем, кто сделал открытие первым, а за тем, кто первым опубликовал это открытие в престижном журнале.

И дальше пошел почти советский пафос о том, что Ломоносов – наше все. Что он и флогистон победил раньше Лавуазье, и кучу чего предсказал, опередив свое время лет на сто. И что вот никто об этом не знал, пока русский ученый Меншуткин не отрыл соответствующие бумаги в ломоносовском архиве. А до этого он и на родине был известен только своими архаичными стихами, а не научными достижениями.

Even in Russia, although his work in literary and linguistic lines, his success as a man of affairs and his investigations as a geographer and a meteorologist had won for him enduring fame, the fact that he was primary a chemist had been completely forgotten. It was Menschutkin who, a few years ago, rediscovered him as a chemist, reprinted in Russian his scattered memoirs and collected all that could be found of his manuscripts, letters and laboratory note-books.

Смит повествует не только о научных воззрениях и удивительных экспериментах Ломоносова, но и рассказывает кратенько биографию своего героя:

A year later, we find him in the university, lecturing in Latin on chemistry, geography and the Russian language. Lecturing in Latin upon the Russian language to Russian students! Such simple, blind devotion to a tradition surprises us—even when it occurs in a university.

Михаил Васильевич, конечно, палку перегибал, но теперь я знаю, кого призывать в союзники, когда я доказываю важность преподавания химии в российских вузах на английском.

В общем, вот такой обстоятельный доклад сделал товарищ Смит. То ли по случаю 200-летия со дня рождения, то ли действительно так Ломоносовым вдохновился, то ли больше не о чем было рассказывать, но отмечу, что доклад был дополнительно перепечатан в Science, чтобы как можно больше людей узнало о великом русском ученом. И что же?

Поиск по журналам ACS за прошедшие сто лет показал, что пор имя Ломоносова лишь изредка всплывало в исторических очерках в J. Chem. Ed. Хотя в последние годы оно стало появляться все чаще, благодаря тому, что МГУшники ныне подписывают место своей работы как Lomonosov Moscow State University, Leninskiye Gory. Да еще объявился в Англии вирусолог-нанотехнолог Джордж П. Ломоноссофф, который изредка в Langmuir’е и Biomacromolecules публикуется.

Три истории: про стор, ключ и ACS

Что я имею в виду, когда говорю, что «бегаю с бумажками». Вот, например, вчера мне предстояло решить четыре задачи.

1. Доступ в стокрум
Я его по привычке называю стокрумом (stockroom), хотя здесь он зовется стор (store), то есть магазин, а на самом деле общефакультетское хранилище базовых лабораторных вещей и реагентов. Здесь он расположен на седьмом этаже Тан Холла, и туда можно прийти, набрать всего нужного и ненужного, а начальство потом заплатит.

Но для начала надо получить в стор доступ. Первую неделю у меня не было университетской карты (ID), так как я оформлен в LBNL. Пришлось заполнять несколько форм, посылать их по факсу, ждать два дня и идти забирать карту, которая так же называется Cal 1 Card.

Но просто с картой в стор тоже не пустят. Карту надо активировать: прописать ее в базе допущенных пользователей. Хорошо, в прошлый понедельник, сразу после получения карты, послал е-мейл. В среду ответили: доступ предоставлен, добро пожаловать. Но сколько я ни проводил картой через считывающее устройство, дверь мигала зеленым, издавала два гудка и отказывалась открываться.

Внутрь меня пустил работник стора, сидящий в соседней комнате. В компьютере моя карта была принята, и я смог купить шланги, пипетки и пр. Написал по тому же адресу, что прошу активировать карту еще и на вход, а не только для покупок. До пятницы никакого ответа не пришло. Дверь стора так и не открывалась. Пошел лично по указанному в е-мейле адресу в Джиок Холл, комнату B15. Там никого не было, а в комнате B14 сказали, что до вторника никого, кто мог бы мне помочь, не будет (понедельник же выходной).

И вот вчера пошел туда снова. Сотрудница пробила карту по базе и заявила, что все в порядке, все активировано. Я возразил, что ничто не в порядке. Посмотрели логи двери в стор, где указаны все запросы. Напротив моего имени и в среду, и в пятницу стояло «В доступе отказано». Но выход нашелся очень быстро. Мне предложили еще раз сходить и проверить карту на входе в стор. Скептически настроенный я поднялся на седьмой этаж, но в этот раз дверь открылась. Я удостоверился дважды. Объяснение простое: самый главный и ответственный за эти дела получил мой е-мейл, все-таки был в пятницу днем уже после того, как приходил я, разрешил мне доступ, но мне никак об этом не сообщил.

2. Получение ключа от седьмого этажа.
Выданный мне ключ от седьмого этажа открывал двери на этом этаже в 20% случаев. Не наблюдалось никакой системы: то откроет, то снова не открывает. Проблема была не в замке, так как те, кто постоянно там обитают с такими трудностями не сталкивались. Я же являлся туда эпизодически, но все равно было неудобно каждый раз кого-то просить о помощи.

И я отправился в Гилман Холл, 119, где с 1.30 до 3.30 по вторникам решают проблемы с ключами. Пожаловался, потянул ключ, а мне говорят, что нет ничего удивительного в том, что он не работает, так как это ключ от девятого этажа. Я отвечаю: «Подождите, у меня есть другой ключ от девятого, который открывает на девятом все двери, а этот от седьмого. Это уж я точно знаю, у меня офис и лаба на девятом. Вы мне что, два от девятого выдали?» В общем, заменили мне зачем-то ключ, который работал, на всякий случай. Так как он оказался от седьмого, а тот, который на седьмом не работал, прекрасно открывал двери на девятом.

Причина всей этой неразберихи в том, что ключи от седьмого и девятого этажей даже визуально похожи. Все зубчики те же самые, разве что на какие-то полмиллиметра в паре мест отличаются. Когда мне выдали четыре ключа, три из них были совершенно одинаковыми и отмечены только ничего не значащими номерами: если враг похитит ключ, то не догадается, что он отпирает. Но я тоже, разумеется, с ходу не запомнил и не пометил, какой ключ от чего. Четвертый ключ отличался от остальных формой и должен открывать двери лаборатории ЯМР, но его я еще даже и не испытывал.

Итак, у меня оказались три неотличимых ключа. Я пришел к себе на девятый этаж, запихнул первый из ключей в замочную скважину, он подошел, и я заключил, что вот этот от девятого (на самом деле он был от седьмого). Потом я установил, какой ключ открывает здание. Методом исключения оставался ключ от седьмого этажа (на самом деле от девятого), который иногда все же срабатывал.

Все это, конечно, задним числом очевидным кажется. Надо было ключ от девятого попробовать также и на седьмом. Но вообще-то давно пора переводить все двери на магнитную карточку, а не только стор.

3. Продление членства в ACS.

В Американском химическом обществе я состою уже 3 года. Единственная весомая польза от этого членства была в том, что меня пригласили на Graduate Research Symposium
в прошлом году в Санта-Барбаре и оплатили все расходы (которые в общей сложности сопоставимы с членскими взносами за 5 лет). Не знаю, когда и куда я поеду на следующую конференцию, но на всякий случай в ACS продолжаю состоять.

Перед НГ пришло письмо с предложением продлить членство еще на год. А студентам-аспирантам у них 50% скидки, и прямо написано, что на постдоков она не распространяется. Подождал я, пока точно стану постдоком и пошел я на acs.org. Залогинился, перерыл весь сайт, но нигде не нашел, как я могу поднять свой студенческий статус до regular membership. С одной стороны заплатил $94, и дело с концом. Но а вдруг мне зачем-то ACS понадобится, а тут и вскроется, что я уже не аспирант. Тогда лучше вообще ничего не платить.

В прошлый четверг написал е-мейл, что хочу продлить членство в ACS, но он мне счет генерит как для аспиранта, а я уже постдок. Никто мне не ответил (праздники же). А вчера решил я, что надо звонить. Крайне не люблю звонить по телефону: ни в США, ни в России. Электронная почта намного удобнее в плане пересылке всех номеров, скриншотов и т.д., поддержании архива и возможностью заниматься делами ночью, а не в рабочее время.

4. Квитанция от Comcast (квест еще не окончен).

Думал еще одну историю написать (у меня их много накопилось), но решил, что на сегодня хватит. Тем более, что она еще не закончена и читатели не смогут сделать из нее глубокомысленный вывод.