Северо Очоа

Имя Северо Очоа в учебниках стоит рядом с расшифровкой генетического кода и синтезом РНК в пробирке. Но сам он попал в науку почти случайно: медицина была для него не профессией, а способом заниматься биологией.

Медицина как обходной путь

Северо Очоа де Альборнос родился 24 сентября 1905 года в Луарке — небольшом городке в Астурии, на побережье Атлантического океана. Он был младшим из семи сыновей; отец, юрист и бизнесмен, умер, когда мальчику было семь лет. Семья перебралась в Малагу, где Северо пошёл сначала в частную школу при иезуитах, а затем в высшую школу и в 1921 году получил степень бакалавра.

Естественные науки увлекли его в выпускном классе, и в 1923 году он поступил в Медицинскую школу при Мадридском университете. Доктором он быть не собирался — медицина давала доступ к биологии. Очоа мечтал учиться гистологии у Сантьяго Рамон-и-Кахаля, но к моменту его поступления нейробиологу было больше семидесяти, и он отошёл от науки. Биографию Кахаля Очоа перечитывал постоянно, а его книгу «Рекомендации к научным исследованиям» называл одним из сильнейших своих впечатлений. На третьем курсе он решил посвятить жизнь биологии.

Вторым человеком, повлиявшим на него, стал учитель Хуан Негрин, бывавший в Германии. Он советовал читать не только по-испански, и Очоа, владевший тогда лишь французским, позже поехал в Германию и Англию отчасти ради языков. Негрин разрешил ему с другом Хосе Вальдекасасом работать в своей лаборатории и предложил выделить креатинин из мочи. Так Очоа заинтересовался метаболизмом креатина; вместе с Вальдекасасом он предложил микрометод определения креатина в мышцах. Чтобы освоить метод и английский, два месяца провёл в Глазго у профессора Ноэля Патона, а вернувшись, отправил статью в Journal of Biological Chemistry — её приняли после небольшой проверки.

Берлин, Гейдельберг, Лондон

Интерес к химии мышечного сокращения привёл Очоа к работе немецкого учёного Отто Мейерхофа над фосфокреатином. Осенью 1929 года Очоа приехал в Институт Кайзера Вильгельма в Далеме, где Мейерхоф исследовал, как энергия пищи становится доступной клетке, выбрав мышцу экспериментальной моделью. Немецкого Очоа не знал, но Мейерхоф говорил по-английски, и через два месяца язык был освоен настолько, чтобы общаться. В институте работали также Фриц Липман и Дэвид Нахмансон, а сам он славился стремлением стирать границы между физикой, химией и биологией.

В конце 1929 года Мейерхоф перешёл в Гейдельберг, где Общество Кайзера Вильгельма построило здание с четырьмя институтами, и Очоа поехал за ним. В Мадрид он вернулся в 1930 году, защитив диссертацию о роли надпочечников в сокращении мышц, а в 1931 женился на Кармен Кобиан Гарсия. Вскоре супруги уехали в Лондон, в лабораторию Генри Дэйла при Национальном институте медицинских исследований, где Очоа работал над своим первым ферментом — глиоксилазой. В Лондоне он оставался два года.

В 1935 году Очоа выдвинули на место директора отдела физиологии в новом мадридском институте, но через несколько месяцев началась Гражданская война в Испании, и он решил уехать и вернуться к Мейерхофу. В Германии 1936 года был пик нацизма, положение Мейерхофа оставалось шатким, хотя лаборатория работала продуктивно — теперь как биохимическая. В августе 1939 года Мейерхоф перебрался в Париж, а перед отъездом устроил Очоа на полгода в лабораторию биологии моря в Плимуте. Затем была работа с Рудольфом Питерсом в Оксфорде над ролью витамина B1 и кокарбоксилазы в окислении пирувата: они установили, что кокарбоксилаза и связанный тиамин служат коферментами в этом процессе в голубином мозге, и показали необходимость адениновых нуклеотидов. Оксфордский период оборвала Вторая мировая: лабораторию перевели на военные нужды, а Очоа как иностранца уволили.

Сент-Луис и стрелка спектрофотометра

Он написал Карлу и Герти Кори на медицинский факультет Вашингтонского университета в Сент-Луисе и получил приглашение. Кори нашли финансирование, и в августе 1940 года Кармен и Северо отплыли в США. В лаборатории Кори занимались ферментами, прежде всего гликогенфосфорилазой; собственная работа Очоа над превращением фруктозы в глюкозу в экстракте печени скорее разочаровала, зато он овладел техникой выделения и характеризации ферментов. В 1942 году он занял должность научного сотрудника на медицинском факультете Нью-Йоркского университета.

Через два года он перешёл на факультет биохимии, затем стал фармакологом — новые лаборатории дали больше места и позволили набирать студентов и сотрудников со степенью. Первое исследование в Нью-Йорке касалось окислительного фосфорилирования: ещё в Оксфорде Очоа показал, что окисление сопровождает фосфорилирование AMP в ATP. Используя сердечный гомогенат, он определил атомное соотношение эстерифицированного фосфора к затраченному кислороду и получил P/O = 3 для реакции окисления пировиноградной кислоты; прежнее значение равнялось 2, заниженным оно было из-за потерь от гидролиза ATP. Значение 3 позже подтвердили с использованием митохондрий.

Дальше Очоа выбрал для изучения изолимонную дегидрогеназу. Реакция, ведущая к α-кетоглютарату, была предсказана, но не доказана; Очоа приготовил предполагаемый интермедиат — оксалосукциновую кислоту — и, начав с неё, наблюдал образование α-кетоглютарата. Ему пришло в голову, что реакция обратима и объясняет фиксацию CO2 в клетках животных. Приборов с изотопами в лаборатории не было, и он решил проверить реакцию спектрофотометрически. Как он вспоминал, он не верил, что сработает, и откладывал опыт, пока его не ободрил Эвраим Ракер с факультета микробиологии этажом ниже. Когда стрелка спектрофотометра наконец двинулась, Очоа выбежал в коридор с криком, чтобы все шли смотреть, — но было девять вечера, и вокруг никого не оказалось. Прибор был передан Американскому философскому обществу на год, однако успех экспериментов заставил общество разрешить Очоа оставить его у себя.

В это время у него появились первые ученики: дипломник Алан Мелер и аспиранты Сантьяго Грисолиа и Артур Корнберг. Наблюдение Алана за быстрым окислением малата при добавлении NADP к экстракту голубиной печени привело к открытию «яблочного» фермента — малатдегидрогеназы. Лаборатория Очоа занялась и синтезом цитрата: экстракт тканей животных в цитратном синтезе был неактивен, и Очоа сменил объект на бактерию, совместив затем экстракты кишечной палочки и свиного сердца. Конденсирующийся фермент очистили до гомогенного состояния, и Очоа кристаллизовал его, прибавляя несколько капель сульфата аммония, — и сфотографировал кристаллы, чем очень гордился.

Полинуклеотидфосфорилаза и Нобелевская премия

В 1955 году Очоа вместе с аспиранткой Марианной Грюнберг-Манаго выделил из микроорганизма Azotobacter vinelandi новый фермент, катализировавший синтез in vitro сходной с РНК молекулы, состоящей из четырёх, трёх, двух и даже одного азотистого основания. Фермент назвали полинуклеотидфосфорилазой. Тщательные эксперименты показали, что синтетический полирибонуклеотид напоминает натуральную РНК по размеру, а константы седиментации были сходны. Для надёжного синтеза требовался высокоочищенный фермент, использовали хроматографию, а для инициации синтеза в раствор добавляли небольшое количество олигомера, после чего цепочка наращивалась. Обработка синтезированного полимера панкреатической рибонуклеазой давала такую же смесь олигонуклеотидов, как и расщепление натуральной РНК. Опыты с фосфодиэстеразой из змеиного яда и ткани селезёнки показали, что полученная РНК — линейная цепочка с 3,5’-фосфодиэфирными мостиками.

Через два года Артур Корнберг выделил из кишечной палочки ДНК-полимеразу и осуществил синтез ДНК. В 1959 году обоим учёным вручили Нобелевскую премию по физиологии или медицине — за открытие механизмов биосинтеза РНК и ДНК.

Гонка за генетическим кодом

После открытия полинуклеотидфосфорилазы лаборатория занималась в основном окислением пропионата и самим ферментом. Очоа работал с японским учёным Санаи Ми над реакцией синтеза, надеясь, что дальнейшая очистка выявит праймерные или матричные ограничения; это был единственный случай, когда фермент нуждался в праймере. Хотя для понимания роли фермента in vivo эти исследования позже не пригодились, они принесли большую пользу в синтезе множества полимеров — лаборатория оказалась готова к экспериментам над генетическим кодом.

В 1961 году Ниренберг и Маттаи на Международном конгрессе по биохимии в Москве сообщили, что экстракт кишечной палочки переносит полиуридилат в полифенилаланин. Это была самая будоражащая новость конгресса. Между лабораториями Очоа и Ниренберга началась гонка по изучению действия разных сополимеров на соединение аминокислот: вычисляя статистическое построение триплетов в гетерополимерах, можно было определить соотношение для большинства аминокислот. В работе участвовали Питер Ленгиэл, Джо Спейер, Венди Стэнли и Альберт Вабха, но проект Очоа вёл лично, а технические ресурсы факультета были брошены на синтез соединений для декодирования.

Идентифицировать триплеты, кодирующие каждую из 20 аминокислот, удалось быстро; выяснилось также, что код вырожден — некоторые триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. Последовательность триплетов определили Филлип Ледер и Маршалл Ниренберг. Используя полинуклеотиды, начинающиеся с AUG или другого кодона и приготовленные с помощью полинуклеотидфосфорилазы, лаборатория Очоа установила, что направление чтения — от 5’ к 3’, и определила in vitro, что UAA — один из концевых кодонов.

Затем три группы — Маргарита Салас и Стэнли у Очоа, Айзенштадт и Браверманн, Ревель с Гросом — обнаружили, что природная мРНК бактериофагов MS2 и Qβ переносится неочищенными рибосомами кишечной палочки, но не переносится рибосомами, промытыми сульфатом аммония. Отмытые рибосомы легко переносили polyA или polyU, но не полимеры, начинающиеся с AUG. Сульфат аммония вымывал белковый «ген инициации», нужный для переноса природной мРНК; первые два таких гена, а позднее третий, выделили и назвали IF1, IF2 и IF3.

В начале 1970-х Очоа переключился на инициацию трансляции у эукариот. Аналоги IF2 выделили в нескольких лабораториях; eIF2, как его стали называть, состоит из цепи трёх полипептидов и образует трёхкомпонентный комплекс из GTP и инициаторной тРНК. Очоа и де Харо выделили белок, названный ими ESP и известный под многими именами, пока не получил имя eIF2B. Его способ действия объяснили гораздо позже: он катализирует обмен между GTP и GDP.

Последние годы

Летом 1974 года 69-летний Очоа оставил деканское кресло биохимического факультета и принял предложение присоединиться к Институту молекулярной биологии Роше в Натли. До 1985 года он продолжал работу над обменом GTP/GDP у эукариот и ролью фосфорилирования в инициации. В 1985 году они с Кармен вернулись в Испанию, где он продолжил работать почётным директором Центра молекулярной биологии при Мадридском университете — центра, основанного под его управлением. Смерть Кармен в 1986 году опустошила его, и он так и не оправился от этого потрясения. Он умер в ноябре 1993 года в Мадриде и похоронен в Луарке, городке, где родился.

Очоа был членом Американской национальной академии наук, Американской академии наук и искусств, иностранным членом Лондонского королевского общества и иностранным членом Академии наук СССР. У него было 36 почётных докторских степеней и более ста медалей и наград, а с 1961 по 1967 год он был президентом Международного союза биохимиков.

Частые вопросы

За что Очоа получил Нобелевскую премию?

В 1959 году — по физиологии или медицине, вместе с Артуром Корнбергом, за открытие механизмов биосинтеза РНК и ДНК.

Правда ли, что он был врачом?

По образованию — да, он окончил Медицинскую школу при Мадридском университете. Но доктором быть не стремился: медицина позволила ему изучать биологию, которой он и посвятил жизнь.

Почему он оказался в США?

После Оксфорда его как иностранца уволили, когда лабораторию перевели на военные нужды. Он написал Карлу и Герти Кори в Сент-Луис, получил приглашение и в августе 1940 года вместе с женой отплыл в Америку.

Что связывало его с Испанией?

Он сохранил любовь к стране, почти всегда в его группе работал испанец, а в 1985 году он вернулся в Испанию и до конца жизни был почётным директором Центра молекулярной биологии при Мадридском университете.