Осаму Симомура: Химик, который добыл свет из медуз

Летом 1961 года на воде в Фрайдей-Харбор, штат Вашингтон, японский химик и его американский наставник вылавливали из залива Пьюджет-Саунд по две-три тысячи медуз в день и продолжали это делать, пока не пропустили через свои лабораторные столы около пятидесяти тысяч животных. «Наша лаборатория была похожа на фабрику и была наполнена запахом медуз», — вспоминал Симомура. Он повторял нечто подобное девятнадцать лет подряд, вылавливая сотни тысяч образцов. То, что он в конечном итоге извлек из этой кашицы, подарило биологии самую полезную лампу.

Вспышка над Нагасаки

Он был сыном офицера Императорской японской армии, родился 27 августа 1928 года в Фукутияме, префектура Киото, и перемещался вслед за назначениями отца — сначала в Маньчжоу-го, затем в Осаку, — прежде чем семья обосновалась в Исахае в префектуре Нагасаки. Ему было шестнадцать в августе 1945 года, когда война пришла сверху. Находясь в двадцати пяти километрах от эпицентра, он услышал бомбардировщик Bockscar еще до детонации; вспышка ослепила его примерно на тридцать секунд, а затем на него выпал радиоактивный черный дождь. Его школьное образование было уже разрушено войной. Его бабушка, которая воспитала его в самурайских понятиях о чести и стойкости, дала ему тот характер, который не дали в классе.

Колледж, который принял его без диплома

В 1948 году Фармацевтический колледж Нагасаки принял его без аттестата об окончании средней школы — акт институционального милосердия, который определил всю его дальнейшую жизнь. Он получил фармацевтическое образование в 1951 году в том, что сейчас является Школой фармацевтических наук Университета Нагасаки, и остался там в качестве лаборанта до 1955 года, на работе без очевидных перспектив. Все изменилось после знакомства с Хиратой Ёсимасой (Yoshimasa Hirata) из Университета Нагоя, который принял его и дал задачу, поставившую в тупик более именитых химиков: почему измельченные, высушенные останки морского светлячка (Vargula hilgendorfii) светятся синим при смачивании.

Десять месяцев, один кристалл

Задание должно было занять его. Оно занимало его десять месяцев, в конце которых он получил чистый кристаллический люциферин — саму светоизлучающую молекулу, выделенную в 1957 году из печально известного нестабильного экстракта, который окислялся в момент контакта. Статья «Кристаллический люциферин Cypridina» в Бюллетене Химического общества Японии стала техническим подвигом, который разошелся далеко за пределами Японии. В 1958 году Нагоя присвоила ему степень магистра органической химии, а в 1960 году — докторскую степень за диссертацию о структуре люциферина морского светлячка. Он поступил в университет без аттестата о среднем образовании, а покинул его с докторской степенью и международной репутацией человека, который делает невозможное своими руками.

Фабрика медуз

Фрэнк Джонсон из Принстона прочитал статью о люциферине и нанял его; Симомура прибыл в 1960 году по стипендии Фулбрайта. Джонсон поручил ему заняться Aequorea victoria, кристальной медузой, чье светящееся кольцо никто не мог объяснить. Животных нужно было ловить в дикой природе, поэтому каждое лето работа перемещалась в лаборатории Фрайдей-Харбор Вашингтонского университета. Масштаб был промышленным, а химия — ужасной: светоизлучающий материал быстро разлагался, а выход был ничтожно мал.

В 1962 году труд окупился сторицей. Симомура выделил экворин (aequorin) — белок, который излучает синий свет при связывании с кальцием, а рядом с ним — второй, минорный белок, который светился зеленым. Зеленый белок годами считался второстепенным — любопытным дополнением, замеченным во время охоты за синим. Это был зеленый флуоресцентный белок (GFP).

Белок, который нес свой собственный свет

Решающее озарение пришло позже, когда Симомура разобрался в химии GFP, а не просто в его существовании, составив карту структуры белков в 1972 году. Он показал, что светоизлучающий хромофор GFP встроен в его собственную пептидную цепь — белок производит свой собственный фонарь, не требуя внешнего субстрата, кофактора или заимствованной молекулы. Этот единственный структурный факт сделал возможным все последующее. Поскольку световой аппарат был закодирован в последовательности белка, ген можно было клонировать и внедрить в любой организм, где он светился бы сам по себе. Мартин Чалфи (Martin Chalfie) продемонстрировал GFP как живую метку; Роджер Цянь (Roger Tsien) разработал палитру цветов, превратившую его в универсальный инструмент. В 2008 году трое ученых разделили Нобелевскую премию по химии, составившую около 1,4 миллиона долларов, «за открытие и разработку зеленого флуоресцентного белка, GFP».

Симомура также раздавал свой с таким трудом добытый материал. До того как генная инженерия сделала GFP доступным, он бесплатно распространял накопленные им запасы белка в лаборатории по всему миру.

Самый отсутствующий профессор в Бостоне

Большую часть своей карьеры он провел в качестве старшего научного сотрудника в Лаборатории морской биологии в Вудс-Хоул, совмещая это с должностью профессора физиологии в Медицинской школе Бостонского университета, к которой относился как к формальности: согласно записям университета, с 1982 по 2001 год он появлялся в кампусе всего три раза, и администраторы узнали о его выходе на пенсию только тогда, когда объявление о Нобелевской премии заставило их задать этот вопрос. Он продолжал работать над биолюминесценцией долгое время после того, как область перешла к инструментам, которые он сделал возможными, и написал стандартную монографию Биолюминесценция: химические принципы и методы, а также японские мемуары Учимся у медуз: путь к Нобелевской премии. Его жена Акеми, органический химик, с которой он познакомился в Нагасаки, была его партнером по исследованиям на протяжении десятилетий. Их сын Цутому стал специалистом по компьютерной безопасности, известным тем, что помог поймать хакера Кевина Митника; их дочь Сати — ученый-медиевист в Университете Содружества Вирджинии.

Почему Осаму называют гением

Качество, проявленное здесь, — это не концептуальные фейерверки. Это почти патологическая способность к очистке — умение извлечь хрупкую, саморазрушающуюся молекулу из океана биологического шлама, и делать это постоянно, в масштабе, когда материал у всех остальных уже окислился. Кристаллизация люциферина Cypridina за десять месяцев, после того как другие терпели неудачу годами, — это в первую очередь ремесленное достижение, а во вторую — интеллектуальное, и Симомура был бы первым, кто это сказал. Его собственное объяснение своей карьеры — это простое упорство: «Я узнал, что любую трудную проблему можно решить огромным усилием».

Интеллектуальная претензия основана на одном факте, и это важный факт. Осознание того, что GFP содержит свой собственный хромофор внутри своей пептидной цепи — что никакой другой молекулы не требуется, — было тем концептуальным шагом, который никто другой не сделал ни в отношении одного белка, и это причина, по которой ген можно было позже клонировать и использовать в качестве универсального репортера. Все, что биотехнологический мир делает с флуоресцентными метками, проистекает из этого наблюдения.

Честный контр-аргумент заключается в том, что Симомура сделал это сам. Он неоднократно подчеркивал, что «не пытался и не намеревался открывать» биологический маркер, и использовал свою Нобелевскую премию, чтобы доказать ценность фундаментальных исследований без практической цели. Он не создал инструмент; это сделали Чалфи и Цянь. Коллеги описывали скромного, тихого человека, который считал, что случайность и выносливость объясняют больше, чем гениальность. Назовите это гениальностью рук и неустанного внимания, а не теории.

Наследие

GFP сейчас настолько обычен в лабораториях, что история его происхождения стерлась: каждый светящийся нейрон, опухолевая клетка и анализ экспрессии генов восходят к ведрам с медузами на причале в Вашингтоне. Симомура поздно получил почести — премия Пирса в 2004 году, премия Асахи в 2006 году, Орден культуры Японии в 2008 году, премия Golden Goose в 2012 году, избрание в Национальную академию наук США в 2013 году. Он умер от рака 19 октября 2018 года в Нагасаки в возрасте 90 лет, в городе, разрушение которого он наблюдал в детстве.