AUC в 1950-1970-е годы: раскрытие потенциала

Историки науки сходятся во мнении, что период с 50-х до 70-х годов XX века можно считать временем первого бума AUC.9

К 1951 году было продано не меньше 70 ультрацентрифуг Model E компании Spinco, и в 4 раза больше инструментов эксплуатировали к концу десятилетия.

Dr. Arnold Beckman

Джонас Солк и Альберт Сейбин, которые в 1954 году предложили первую вакцину против полиомиелита, использовали для выделения полиовируса ультрацентрифугу. Трудно переоценить значение этой вакцины для жизни миллионов людей всего мира. Даже сегодня полиовирус остается полезной модельной системой для изучения биологии других опасных РНК-вирусов, таких как вирус лихорадки Западного Нила, вирус атипичной пневмонии и вирус Эбола.

В том же 1954 году химик, изобретатель pH-метра (и других аналитических приборов) и бывший профессор Калифорнийского технологического института Арнольд Бекман, оценив потенциал технологии AUC, приобрел компанию Spinco. В последствии он создал подразделение Spinco в своей 20-летней компании Beckman Instruments.

Вскоре после этого практически в каждом биохимическом подразделении учреждений Америки была аналитическая ультрацентрифуга (в большинстве случаев Spinco Model E), которая в те годы использовалась, в первую очередь, для измерения коэффициентов седиментации молекулярных масс. Компания Арнольда Бекмана превратилась в бесспорного мирового лидера в области технологии AUC, каковым в настоящее время является ее потомок – компания Beckman Coulter Life Sciences.

Научная страсть Шачмена

Бекман, однако, был не единственным, кто заслуживает особого признания за стремительное развитие AUC в 1950-х годах. Такой чести, среди многих других, заслуживает биохимик Говард К. Шачмен, который в 1948 году устроился на факультет Калифорнийского университета в Беркли. По иронии судьбы он был расположен менее чем в 400 милях от офиса Beckman Instruments в Пасадене. (И это было не единственное совпадение, связывающее этих двух знаменитых ученых, продвигающих AUC).

Шачмен, который десятилетия спустя назовет это «любовной интригой с ультрацентрифугой»10, стал главным вдохновителем Эда Пикельса из Spinco на усовершенствования ультрацентрифуги, такие как добавление абсорбционной оптики, раннюю версию которой использовал Сведберг 30 лет назад, интеграция монохроматора и интерферометра Рэлея. Отчасти благодаря таким доработкам технологии AUC Шачмен сыграл ключевую роль в открытии рибосом, что стало огромным шагом вперед к пониманию процесса синтеза белков.

Portrait of Howard Schachman

Второе совпадение в жизни Бекмана и Шачмена можно датировать 1945 годом, когда Шачмен проводил в Сан-Франциско свой медовый месяц. Находясь там, он выяснял возможность приобретения ультрацентрифуги, выпущенной для Военно-морского флота США. Это привело его к встрече с человеком по имени Моррис Ханафин, который искал кого-нибудь для создания ультрацентрифуг. Опираясь на полученные ранее сведения, Шачмен сказал Ханафину, что тому нужно связаться с… Эдом Пикельсом.

Эта судьбоносная встреча стала причиной объединения Ханафина и Пикельса и создания ими компании Spinco, которая в конечном итоге создаст объект большой привязанности Шачмена и которую менее чем через 10 лет приобретет Арнольд Бекман.

Конечно Шачмен был не единственным, кто в 1950-х годах изобретал различные вариации основного метода AUC. Так в 1958 году Мэтью Мезельсон и Франклин Шталь с помощью удачной модификации метода, используя хлорид цезия в высокой концентрации для разделения нуклеиновых кислот на ультрацентрифуге, смогли предложить элегантное решение задачи о механизме репликации ДНК. Аналитическое ультрацентрифугирование на Spinco Model E в градиенте плотности для доказательства полуконсервативного механизма репликации ДНК по всеобщему признанию – «самый красивый эксперимент в биологии».

Шачмен же, бесспорно соглашавшийся с планом этого эксперимента, не всегда соглашался с протоколами AUC, используемых Мезельсоном.

Однажды, занимаясь научной работой в Лаборатории морской биологии в Вудс-Холле (Массачусетс, США), Шачмен столкнулся со студентом, который также учился у Мезельсона. К большому удивлению Шачмена этот студент, казалось, был в полном ужасе от AUC. Причиной такого страха оказался запрет Мезельсона студентам находиться поблизости от ультрацентрифуги во избежание возможной катастрофы.

Огорченный таким отношением к технологии, которую он так любил, Шачмен, не колеблясь, предоставил своим студентам возможность на практике овладеть AUC и позже написал о своей уверенности в том, что опасения Мезельсона на счет способности студентов сломать инструмент, были необоснованными.

Апофеозом научной страсти Шачмена к AUC стала публикация в 1959 году его книги «Ультрацентрифугирование в биохимии». Этот 272-страничный учебник станет новой библией AUC, забрав этот титул у книги Сведберга и Педерсона «Ультрацентрифуга», которую Шачмен очень высоко ценил.

Выход книги стал достойным концом знаменательного десятилетия в истории AUC. В 1960-х годах Шачмен и другие, включая Джека Уильямса, Дэвида Ифантиса и К.Е. Ван Холда, использовали AUC для получения революционных результатов. В это, как назовут его позже, «бурное» десятилетие, наши знания о белках, рибосомах, ДНК и вирусах были существенно расширены и уточнены.

Анализ данных AUC

Другим значительным событием в истории AUC стала публикация Хироши Фудзита «Математической теории анализа седиментации» в 1962 году.

Всего за несколько лет до этого ученый ответил на долго неразрешимый вопрос о том, как диффузия и зависимость коэффициента седиментации растворенного вещества от концентрации влияют на форму седиментационной границы. Первая монография Фудзиты считалась типовым математическим анализом AUC-эксперимента на протяжении следующих 13 лет. И значительное развитие она получила только в 1975 году с его новой публикацией «Основы ультрацентрифужного анализа».

Portrait of Hiroshi Fujita

По большей части благодаря работе Фудзиты по анализу седиментационных экспериментов, AUC двигалась в 1970-х годах по восходящей траектории. К 1980 году в мире насчитывалось около 2000 AUC-инструментов.3

AUC стало широко используемым методом оценки молекулярной массы биополимеров в растворах, а также образованных ими молекулярных комплексов. Исследователи также прибегали к помощи AUC для определения однородности и размеров этих молекул и/или комплексов и характеризации агрегатов, возникших в результате гомо- или гетероассоциации.11

К сожалению, Сведберг не дожил до широкого использования технологии, которую он изобрел десятилетиями ранее. Он умер в своей родной Швеции в 1971 году в возрасте 87 лет.

С другой стороны, Сведберг не стал свидетелем спада AUC в начале 1980-х годов. Всего за несколько быстро пролетевших лет подъем AUC начал замедляться.

3 Serdyuk IN, Zaccai NR, Zaccai J. Methods in molecular biophysics: structure, dynamics, function. 1st ed. New York (NY): Cambridge University Press; 2007.
9 Harding SE. Analytical Ultracentrifugation and the genetic engineering of macromolecules. Biotechnol Genet Eng Rev 1993;11:317-356.
10 Schachman H. Still looking for the ivory tower. Annu Rev Biochem 2000;69:1–29.
11 Berkowitz SA, Philo JS. Characterizing biopharmaceuticals using analytical ultracentrifugation. In: Houde DJ, Berkowitz SA, editors. Biophysical characterization of proteins in developing pharmaceuticals. Waltham (MA): Elsevier; 2015.