Разум инструментальщика

Лучший способ узнать, насколько интенсивно биоинженер из Принстона Клиффорд П. Брангвинн подходит к жизни, — это поймать его играющим в хоккей на стадионе «Бейкер Ринк». До пандемии COVID-19 он играл стоя в полдень. Он играл с детства, в основном в защите. В «Бейкере» он, возможно, будет отбиваться от коллеги и друга Микко Хаатая, профессора машиностроения и аэрокосмической техники в Принстоне и грозного нападающего. «Когда вы занимаетесь интенсивными видами спорта, это единственное, о чем вы сознательно думаете», — говорит Брангвинн. На коньках он попадает в зону. И когда Клифф Брэнгвинн попадает в зону, его уже не остановить.

Брангвинн, профессор химической и биологической инженерии Джун К. Ву '92, исследователь Медицинского института Говарда Хьюза и получатель «гранта гения» Макартура, обычно также находится в зоне внимания с научной точки зрения. В 2009 году, будучи постдокторантом, он опубликовал важное открытие — нечто фундаментальное о том, как организованы клетки. На схемах из учебников ячейки выглядят аккуратно. Маленькие подотделения, называемые органеллами, каждый из которых окружен мембраной, выполняют такие функции, как хранение генетической информации или производство энергии. Но Брэнгвинн обнаружил органеллу, не связанную мембраной. Вместо этого он действовал как лавовая лампа или заправка для салата из масла и уксуса. Когда он посмотрел под микроскоп, он увидел, как жидкие капли сливаются и распадаются внутри клетки.

И все же Брангвинн предвидел надвигающиеся проблемы. Одно дело — видеть капельки в клетках. Другое дело – знать правила, регулирующие их формирование, или знать все цели, которым они служат. Чтобы ответить на эти вопросы, ему придется выйти за рамки пассивного наблюдения. Ему придется научиться управлять каплями, потому что управление чем-то показывает, что вы это понимаете. «У Клиффа отличный нюх на интересные задачи», — говорит Хаатаджа. И именно в ответ на эту проблему, говорит Хаатаджа, «биоинженерная сторона Клиффа взяла верх».

Биоинженерия – громкое слово, охватывающее большую часть науки. Биоинженеры, говорит Брангвинн, используют идеи из количественных областей для изучения биологии. Они мобилизуют компоненты биологии, такие как белки, и владеют ими так, как строитель обращается с дрелью. Они создают набор инструментов, позволяющий ответить на фундаментальные вопросы биологии или решить насущную для общества проблему. Этот подход уже далеко завел жителей Принстона.

Движимая желанием уменьшить загрязнение окружающей среды, Фрэнсис Арнольд в 1979 году осознала экологические издержки производства современных удобств, таких как лекарства и топливо. Она намеревалась заставить белки производить их без отходов. Когда она открыла свою лабораторию в Калифорнийском технологическом институте в 1980-х годах, ученые утверждали, что интеллектуальный потенциал и мощность компьютеров дадут точные инструкции по тому, как заставить белки выполнять их приказы. Но белки содержат сотни или тысячи аминокислот. Имея на выбор 20 аминокислот, это дает огромное количество возможных комбинаций. Арнольд не нравились такие шансы, поэтому она попыталась использовать биологический способ настройки белков — эволюцию — для создания инструмента настройки белков, который мог бы использовать любой учёный. Сегодня производители лекарств и стиральных порошков одинаково используют ее метод, известный как направленная эволюция. Она забрала домой часть Нобелевской премии по химии 2018 года.

В 1961 году, когда Осаму Симомура работал исследователем на биологическом факультете Принстона, он выделил из медузы зеленоватый светящийся белок. Но он не остановился на этом. Он заглянул под пресловутый капюшон, чтобы увидеть, что заставляет белок светиться. Другим светящимся белкам, известным в то время, для свечения требовались химические добавки, но белку Шимомуры требовался только источник синего света. Ученые воспользовались возможностью использовать зеленый белок в качестве инструмента. Среди бесчисленных приложений они использовали его для отслеживания распространения раковых клеток и обнаружения мышьяка в колодцах с водой. Шимомура получил часть Нобелевской премии по химии 2008 года. Позже, в 2014 году, часть Нобелевской премии по химии досталась исследователю, который использовал белок для повышения разрешения световых микроскопов, что позволило ученым увидеть мельчайшие части клетки, включая капли, в более четком фокусе.