Физика – наше всё
Что изучает биофизика, кто открыл ДНК и как в науке появляются новые парадигмы
Издатель ПостНауки Ивар Максутов побеседовал с биофизиком Максимом Франк-Каменецким о биофизике, ее главных трендах, старении человека и будущем науки.
Главные направления биофизики
– Для людей, знакомых с наукой по школьной программе, кажется, что физика занимается неживыми объектами, а биология – живыми и между этими средами есть четкая граница. Как в таком случае возможна биофизика?
– Когда я был студентом, говорили, что самые интересные события происходят на стыке наук. Может, это перестало быть так актуально теперь, потому что наука сильно интегрировалась. Конечно, новая биология XXI века возникла на стыке физики, химии и биологии, и биофизика здесь играла ведущую роль.
Изучение ДНК – моя специализация, но это далеко не единственная область биофизики. Она занимается развитием физических методов, которые позволяют определять структуру жизни, из чего состоит живой организм. Без физики биология не могла бы развиваться так, как она развивается, потому что методы биологии очень приблизительные.
Днем рождения новой биологии считается 25 апреля 1953 года, когда в журнале Nature была опубликована небольшая заметка Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика о структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты. Это была настоящая биофизическая работа, потому что ДНК – химическое соединение, обнаруженное в ядрах почти за сто лет до публикации 1953 года, и его роль была совершенно неизвестна. При этом Уотсон и Крик брали экспериментальные данные из результатов рентгеноструктурных исследований. В их теоретической статье была предложена модель структуры – знаменитая двойная спираль. Следующая знаковая статья принадлежала Розалинд Франклин и Рэймонду Гослингу, где были показаны рентгенограммы – результат рассеяния рентгеновских лучей на волокнах ДНК. Модель была подтверждена и стала той основой, на которой возникло все здание современной биологии.
Изучение ДНК – моя специализация, но это далеко не единственная область биофизики. Она занимается развитием физических методов, которые позволяют определять структуру жизни, из чего состоит живой организм. Без физики биология не могла бы развиваться так, как она развивается, потому что методы биологии очень приблизительные.
Рентгеновский снимок волокон натриевой соли в ДНК, который был опубликован в 1953 году в статье Розалинд Франклин и Рэймонда Гослинга.
– Если изучение ДНК – это физика, то биологии вообще не существует?
– В этом смысле я редукционист по определению, как и любой физик. Я считаю, что не существует ни химии, ни биологии, а существует только физика: это наука о природе, которая нас окружает.
– Какие есть горячие, интересные темы в биофизике?
– Сейчас произошла колоссальная смена парадигмы в области структуры ДНК и рентгеноструктурного анализа. До недавнего времени основным методом определения структуры молекул был рентгеноструктурный анализ, который возник более ста лет назад, когда был сформулирован закон Брэгга. Стало ясно, что по картине рассеяния рентгеновских лучей можно определять структуру молекул. Постепенно этот метод позволил узнать строение больших молекул: нуклеиновых кислот, белков, их комплексов, которые представляют собой основу жизни. В области биофизики метод рентгеноструктурного анализа доминировал весь XX век.
В XXI веке произошла смена парадигмы: сейчас метод рентгеноструктурного анализа вытесняется криоэлектронной микроскопией. Этот новый метод уже отметили Нобелевской премией по химии. Он позволяет определять структуру гораздо больших по размеру частиц, чем может рентгеноструктурный анализ. Важная особенность: чтобы восстановить структуру с помощью рентгеноструктурного анализа, нужно получить кристаллы из тех молекул, которые ты хочешь изучить, а метод криоэлектронной микроскопии не требует кристаллизации. Ты можешь просто взять любую частицу, получить ее изображение в разных ориентациях и восстановить структуру. Это колоссальный прорыв в области применения физического подхода к определению биологической структуры.
– За чем стоит следить в области биофизики, помимо метода криоэлектронной микроскопии?
– Следить нужно прежде всего за иммунотерапией рака – колоссальная вещь, которая вылечивает тысячи людей. Это не просто стык медицины и физики, информационных технологий и искусственного интеллекта, но и переход к персонифицированной медицине, так как она тесно связана с иммунотерапией.
Рак – не универсальная болезнь, как, например, грипп. Мы делим онкологические заболевания на разные типы, но каждая конкретная опухоль индивидуальна. И не только потому, что она у конкретного человека, но и потому, что клетки в ней имеют свой геном, отличный от генома других опухолей и от генома человека, в котором она образовалась. Рак всегда возникает из-за изменения в ДНК в результате мутаций, поэтому лечение всегда должно быть персонифицированным.
Лечение старения и Альцгеймер
– Некоторые особо радикальные исследователи называют старение болезнью и ищут способ эту болезнь победить.
– Я скептически отношусь к любым геронтологическим изысканиям. Для того чтобы подвергнуть методику, лекарства или подходы строгой проверке, нужны медицинские испытания. Мы все знаем о пользе или вреде тех или иных вещей на основании специальных испытаний на большой выборке людей. В таких испытаниях всегда есть люди, которые подвергаются действию условного лекарства, и контрольная группа, которая не подвергается. Только так мы можем на самом деле определить, полезно данное средство или, наоборот, вредно. К сожалению, когда речь идет о старении, все эти испытания должны продолжаться десятилетиями.
– Не может ли так оказаться, что старение – простая задачка, которая вдруг решится новым методом, и выяснится, что ответ на ту загадку есть в лежащей на поверхности структуре?
– Я в это не верю. И не верю, что старение – это болезнь. Люди умирают не от старости, а от болезней. По мере того как человек все дольше живет, у него развиваются новые заболевания. Часть из них мы умеем лечить, часть – нет. На мой взгляд, самые страшные вещи, которые пугают любого стареющего человека, – это болезнь Альцгеймера, деменция. К сожалению, несмотря на колоссальные усилия и немыслимое количество потраченных денег, мы никакого прогресса в этом вопросе не имеем.
Когда я переехал в Бостон, то буквально сразу в городе появился великий ученый из Кембриджа по имени Аарон Клуг. Он давал лекцию в Бостонском университете об Альцгеймере и его молекулярном механизме. С тех пор прошло 25 лет, и никакого прогресса в области терапии болезни Альцгеймера нет.
О смене парадигмы в науке и о будущем
– Удивительно, что в какой-то момент была группа людей, которые смотрели на открытие ДНК и не могли поверить своим глазам.
– Так устроена наука: ни одна смена парадигмы – ни в физике, ни в химии, ни в биологии – не проходит иначе, как по такому сценарию: появляется новая парадигма, и те ученые, которые к тому времени были уже сформировавшимися, в нее абсолютно не верят. Молодые ее подхватывают, и она завладевает всем сообществом, после того как те, что в нее не верили, умерли.
Когда Эйнштейн создал теорию относительности, Планк в нее не верил и умер, так и не поверив. Он никогда бы в нее не поверил, как и остальные физики его поколения. Потом точно так же Эйнштейн не поверил в квантовую механику. Он умер, не поверив, что, как он говорил, Господь Бог играет в кости. Так же все физики поколения Эйнштейна. Наука – это серьезный бизнес, человек отдается ей целиком.
Кто такой был Фрэнсис Крик? Неудачник, военный ученый – никогда никакого имени ни в чем не сделал себе. Ему было уже за тридцать, а с ним еще вообще мальчишка Джим Уотсон. И эти два нахала вдруг сказали, что гены – это какая-то молекула ДНК. Никто из сформировавшихся, взрослых генетиков в это не поверил.
Вы прочитали избранное из интервью Максима Франк-Каменецкого, а посмотреть запись целиком можно здесь.
Об авторе:
Максим Франк-Каменецкий – доктор физико-математических наук, профессор факультета биомедицинской инженерии Бостонского университета, приглашенный профессор Сколковского института науки и технологий (2014).
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru