У наших стільникових годинниках вона знайшла ціле життя відкриттів | Журнал Quanta

Сьогодні вранці, коли зійшло сонце, мільярди людей відкрили очі і впустили в свої тіла сноп світла з космосу. Коли потік фотонів потрапляє на сітківку ока, спрацьовують нейрони. І в кожному органі, майже в кожній клітині заворушилися складні механізми. Циркадний годинник кожної клітини, комплекс білків, рівень яких зростає і падає разом із сонцем, увімкнувся.

Цей годинник синхронізує наші тіла з циклом світло-темрява на планеті, контролюючи експресію понад 40% нашого геному. Гени імунних сигналів, мозкових месенджерів і ферментів печінки, якщо назвати лише деякі з них, транскрибуються для створення білків, коли годинник каже, що настав час.

Це означає, що біохімічно ви не та сама людина о 10 вечора, як о 10 ранку. Це означає, що вечорами є більш небезпечний час для прийому великих доз знеболюючого ацетамінофену: ферменти печінки, які захищають від передозування, стають дефіцитними. Це означає, що вакцини вводять вранці та ввечері працювати по-різномуі що працівники нічної зміни, які постійно не слухаються годинника, мають вищий рівень захворювань серця та діабету. Люди, чий годинник бігає швидко або повільно, потрапляють у жахливий стан постійного часового поясу.

«Ми пов’язані з цим днем ​​таким чином, що, на мою думку, люди просто відштовхуються», — каже мені біохімік Керрі Партч. Якщо ми краще зрозуміємо годинник, стверджувала вона, ми зможемо його скинути. Маючи цю інформацію, ми можемо формувати лікування хвороб, від діабету до раку.

Понад чверть століття Партч жив серед оркестровців циркадного годинника, білків, чиї підйоми та падіння контролюють його роботу. Як постдоктор, вона продюсувала перша візуалізація зв’язаної пари білків у його серці, CLOCK і BMAL1. Відтоді вона продовжувала робити видимими завитки та звивини цих та інших білків-годинників, показуючи, як зміни в їхній структурі додають або віднімають час від дня. Її досягнення в пошуках цих знань принесли їй одні з найвищих нагород у цій галузі науки: Премія Маргарет Оклі Дейхофф від Біофізичного товариства у 2018 році та Премія Національної академії наук в молекулярній біології в 2022 році.

Коли Партч говорить, її відчуття невблаганності часу — того факту, що він змінює нас, хочемо ми цього чи ні — відтіняє її голос тихою нагальністю. Її власна подорож прийняла несподіваний поворот; на піку кар’єри їй доводиться відійти від лабораторної лави. У 2020 році у віці 47 років у неї діагностували бічний аміотрофічний склероз, також відомий як хвороба Лу Геріга. У середньому люди живуть від трьох до п’яти років після діагностики БАС.

Але це не завадило їй думати про білки годинника.

Вона розглядає їх, її голова нахилена, світло відблискує від її окулярів, поки ми сидимо в її вітальні на пагорбах поблизу Санта-Крус, Каліфорнія. Зараз полудень, приблизно шість годин після того, як фотони сонця запустили CLOCK і BMAL1 в її клітинах і клітинах кожної людини на Західному узбережжі.

Уявним оком вона бачить білки, кожен з яких складається з амінокислот, згорнутих навколо себе. BMAL1 має своєрідну талію, яку CLOCK застібає, як танцюрист. Кожного світанку пара займає місця на щільно згорнутій масі геному та викликає ферменти, які транскрибують ДНК. Протягом дня вони змушують інші білки виходити з механізму клітини, в тому числі кілька, які з часом затьмарюють їхню силу. Три білки знаходять ручки для CLOCK і BMAL1 близько 10:1, заглушаючи їх і вилучаючи з геному. Хід транскрипції ДНК змінюється. Нарешті, в глибині ночі, четвертий білок захоплює мітку на кінці BMALXNUMX і запобігає будь-якій подальшій активації.

Секунди перетворюються на хвилини, хвилини на години. Час минає. Поступово репресивний квартет білків розпадається. У ранкові години CLOCK і BMAL1 знову оновлюють цикл.

Кожен день вашого життя ця система пов’язує фундаментальну біологію тіла з рухом планети. Кожен день твого життя, доки він триває. Ніхто не розуміє цього глибше, ніж Парч.

Хімія і годинник

Влітку перед п’ятим класом, коли Партч було 10 років, її батько, який був теслею, зламав зап’ястя під час гри у футбол. Поки він чекав, поки хвороба загоїться, він пройшов курс хімії в місцевому коледжі. Він показав їй, як збалансувати хімічне рівняння в їхньому дворі за Сіетлом, на дошці, притуленій до дерева. Це був її вступ до хімії.

«Я все ще пам’ятаю, як думала про те, як математична точність хімії була такою крутою — дуже відрізнялася від біології, яку нас навчали в школі в тому віці», — сказала вона.

Коли вона згадує свої коледжські роки в Університеті Вашингтона, вона визнає з іронічною сміхом, що дещо з того, що вискакує, це спогади про відвідування концертів — поїздки в Олімпію на шоу Слітера-Кінні, побачення Mudhoney і Nirvana — і її задоволення від книги таких авторів, як Урсула Ле Гуїн. Але її також захопив курс з хімії живих систем. Після закінчення школи вона пішла працювати техніком в Університет здоров'я та науки Орегона в Портленді. З кожним днем ​​вона все більше закохувалась у дослідження. У 2000 році вона разом зі своїм хлопцем Джеймсом, музикантом і графічним дизайнером, переїхала до Університету Північної Кароліни, Чапел-Гілл, щоб вона могла розпочати докторську дисертацію.

Незабаром після прибуття вона зустріла людину, яка познайомила її з годинником. Вона відвідувала заняття з молекулярним біологом Азіз Санкар, відомий своєю роботою з відновлення ДНК. «Я була вражена прекрасною точністю, з якою він навчав нас основним науковим концепціям», — сказала вона. «Я подумав: «Чувак, цей хлопець такий розумний». Санкар, який би отримати Нобелівську премію у 2015 році вивчав клас білків під назвою криптохроми, до якого входять білки годинника CRY1 і CRY2. Кожен організм, від ціанобактерій до секвої, має годинник, але білки, що керують кожною системою, різні. У ссавців найважливішими білками, крім CLOCK і BMAL1, є форми PER і CRY.

Будучи аспірантом у лабораторії Санкара, Партч виявив, що CRY1 має таємничий, неструктурований хвіст. Ніхто не знав, що робить ця частина білка, але, знову ж таки, ніхто насправді не знав, як будь-яка з котушок і стрічок білків годинника призвела до дивовижних ефектів. І, на подив Парча, здавалося, що це теж нікого не дуже хвилювало. Джозеф Такахаші і його колеги з Північно-Західного університету за кілька років до цього отримали велике визнання та визначили гени CLOCK і BMAL1; невисловлене припущення багатьох вчених полягало в тому, що важку роботу було зроблено.

Це навіть не залишилося невисловленим. На конференції в 2002 році Партч поділилася з кількома колегами, що хоче зрозуміти структуру білків. «Чому?» була їхня відповідь: ми вже все знаємо. Партч, ввічливо, але рішуче, не погодився.

Коли вона закінчила навчання, вона пішла працювати в Південно-Західний медичний центр Техаського університету в якості постдока у лабораторії Кевін Гарднер, біохімік і структурний біолог, який зараз працює в Центрі передових наукових досліджень при Міському університеті Нью-Йорка. Там вона сподівалася, що зможе чіткіше побачити білки годинника, навчившись використовувати дві складні, але потужні техніки.

Поет тіней

«Коло білка торкається квадратного білка дорівнює магії»: так Гарднер резюмує невизначеність молекулярної структури, яку, згідно з його досвідом, багато біологів погоджуються прийняти, оскільки ніхто не може зосередитися на кожному аспекті кожної системи. Але в Партчі він розпізнав споріднену душу, когось спонуканого розбирати білки та розуміти їх, і обдарованого майже енциклопедичною пам’яттю для літератури про циркадний годинник.

Працюючи з ним, Парч навчився кристалографії білка: як змішувати розчини, з яких кристалізувався б очищений білок; як просвічувати рентгенівські промені крізь цю кристалічну решітку; як визначити форму білка з тонких відтінків на дифракційній картині. Кристалограф схожий на поета тіней — Розалінда Франклін, зображення якої дозволили Ватсону та Кріку визначити структуру ДНК, була кристалографом. Для Партч туманно-сірі зображення кристалографії обіцяли заглянути в структури, за якими вона планувала стежити все своє життя.

Але кристалографія має межі. Він може виявити лише форми білків, достатньо стабільних для кристалізації, і він дає лише миттєвий знімок цих заморожених структур. Партч знав, що статичні форми, які представляють білки на діаграмах підручників, приховують правду. Білок може прорізати свої ніжки, скрутитися, як тріскачка, або розгорнутися й згорнутися в дивну нову форму. Деякі білки також сильно невпорядковані, з довгими гнучкими спагетті-ланцюжками амінокислот, що з’єднують їхні більш упорядковані ділянки.

Ось чому спектроскопія ядерного магнітного резонансу, або ЯМР, також фігурувала в плані Парча. У ЯМР високоочищені розчини білка поміщають у магніт і обробляють радіохвилями. Результуючі магнітні збурення їхніх атомних ядер, зібрані та відображені програмним забезпеченням, можуть виявити розташування атомів білка проникливому оку. Якщо умови вимірювання налаштовані правильно, ви можете зробити висновок, як білок рухається, коли він зв’язує партнера, як він відчуває зміну температури або як він переходить з одного стану в інший. Коли Партч дивиться на райдужне зображення ЯМР-даних на діаграмі XY, вона бачить швидкі рухи груп, що зв’язують метал, і повільне згортання білка.

Коли її відділення в Південно-західному медичному центрі UT залучило Такахаші, генетика, який визначив гени для CLOCK і BMAL1, «краще повірте, що я сама собі натякнула», — радісно сказала вона. Коли вона покинула університет, вона, Такахаші та їхні колеги створили зображення комплексу CLOCK-BMAL1 за допомогою кристалографії.

У 2011 році, коли Партч переїхав з Джеймсом та їхнім маленьким сином, щоб почати її лабораторія в Каліфорнійському університеті в Санта-Крус вона починала з нуля. У неї не було жодних проектів із її постдокументації, щоб продовжити. У неї була лише особливість її бачення, щоб зрозуміти годинник, і, нарешті, інструменти, щоб це реалізувати.

Білковий годинниковий механізм

За вікном офісу Парча в UCSC стовби світлофільтрів крізь листя секвої. Будівля фізичних наук розташована в лісі, де цвіте пліснява, а дерева нахиляють листя, підкоряючись власним циркадним годинникам. Всередині студентів і туристів, які перетинають мохову підлогу лісу, CLOCK, BMAL1 і їхні супутники зайняті виробництвом післяобіднього коктейлю білків для організму. Саме тут Партч отримав можливість глибше поглянути на біомеханіку часу.

З самого початку вона йшла на незвідану територію. «Керрі надзвичайно унікальна», — сказав Браян Золтовскі Південного методистського університету, який був постдоктом у лабораторії Гарднера разом з нею. Він може порахувати на одній руці лабораторії, які зосереджені на дрібницях структурної біології годинника ссавців. Потрібні навички є езотеричними, і ризик витратити роки зусиль на незначний прогрес великий.

Тим не менш, Партч пробрався в невідомість і почав надсилати депеші. Зі своїм учнем Челсі Густафсон та Хайян Сюй Університету Мемфіса, вона виявила, що CRY1 глушить BMAL1 шляхом конкурентного зв’язування з його звивистий, невпорядкований хвіст; якщо хвіст мутований, годинник збивається з темпу або навіть повністю розпадається. Зі своїм учнем Алісія Майкл, вона виявила, що CLOCK прилягає до CRY1 за допомогою потоку петля в кишеню на ньому; якщо мутація знищить кишеню, вони не зв’яжуться. Мутація в PER2 робить його гірше пристосованим до своїх зв’язуючих партнерів і рендерить його вразливі до деградації; цей дефект пересуває годинник на півтори години. Орієнтація одинарного зв’язку в хвості BMAL1 може скоротити день. Частини годинникового механізму почали виринати з темряви.

Вона зробила собі ім’я колекціонеркою всіх змін, які можуть пришвидшити, уповільнити або зовсім заглушити годинник. «Керрі намагається опуститися до рівня розуміння того, що таке рухи окремих білків», — сказав Золтовскі. Чим довше Партч проводила з білками годинника, що перетворюються, тим краще вона могла бачити їх у своїй свідомості та розуміти, як вони можуть реагувати на ліки чи мутацію.

Її відкриття дали хронобіології новий погляд на те, як працюють білки годинника. «Керрі знову і знову виявляла, що значна частина важливої ​​біології походить від частин білків, які є неструктурованими, дуже гнучкими та динамічними», — сказав Енді ЛіВанг Університету Каліфорнії, Мерсед, структурний біолог, який вивчає годинник у ціанобактерій. «Те, що вона робить з ЯМР, є героїчним».

До 2018 року Partch отримав нагороди та зібрав величезний портфель грантів. Вона сиділа в правліннях наукових товариств. У неї був другий син, і вона набрала групу студентів і постдокторантів, натхненних її баченням. Прія Кросбі, яка нещодавно закінчила постдок у своїй лабораторії, пригадує, як зустріла Парча на вечірці та відчула благоговіння. Пристрасть Парч до розуміння годинника була відчутною, і, здавалося, у неї під рукою були всі дані про нього.

Приблизно тоді її руки почали схоплюватися.

Розвідковий ключ у роботі

Спочатку це були дрібниці. «Мої руки замерзали на секунду», — сказала вона. «Ви знаєте, що це неправильно». Лікарі припустили, що це був стрес. Лише в червні 2020 року, коли вона повернулася до своєї лабораторії після місяців карантину через пандемію Covid-19 і виявила, що сходи виснажили її, вона наполягала на кращій відповіді. Майже через півроку їй поставили діагноз: БАС, або бічний аміотрофічний склероз.

ALS вбиває моторні нейрони та руйнує здатність контролювати рухи. На першому місці йде дрібна моторика, потім вміння ходити і говорити. Згодом нейрони, що контролюють дихання, зникають. Після постановки діагнозу люди, як правило, живуть лише кілька років.

Парча любив працювати за лабораторним столом. Серед своїх студентів вона була відома тим, що сама проводила попередні експерименти, щоб побачити, чи має ідея потенціал. Вона була знайомим видовищем у лабораторії, метушившись із відерцями для льоду, усіяними трубками з білком.

«Моя остання білкова підготовка була в січні, близько двох років тому», - згадувала вона. «Це папір в природа — у нас була початкова структура. Ми намагалися зробити мутації, щоб перевірити, чи це витримало. … Я пройшов через половину мутантів і подумав: «О Боже мій!» Відро з льодом було наче свинець у її руках.

Зараз Парч користується інвалідним візком з приводом. У будівлі лабораторії їй встановили кнопки для відкривання дверей, і Джеймс возить її на роботу. Вона все ще працює повний робочий день — зустрічається зі студентами, розсилає електронні листи, мріє про нові експерименти. Говорити стало важче, але її розум не вплинув. Часом здається, що невідоме піднімається, і горе загрожує охопити її, але вона пропускає ці моменти. «Я намагаюся жити», — сказала вона.

Є ще сьогодні. І сьогодні, і сьогодні, і сьогодні, поки цикл може повторюватися.

Універсальні істини часу

Травневий туманний ранок, приблизно чотири години після початку CLOCK і танцю BMAL1. У кабінеті Парча вона і Дікша Шарма, аспірант у лабораторії, обговорюють свою пристрасть до згорнутих білкових сегментів, які називаються доменами PAS. «Ми як дві горошини в стручку», — каже Парч. Шарма перевіряє, чи можуть домени PAS у CLOCK і BMAL1 бути націленими бібліотекою препаратів для контролю над годинником. «Ми вважаємо, що це можливо», — каже Парч.

У просторі лабораторії працює кластер студентів і постдоків. Рафаель Роблес махає та посміхається з лавки, де готує пробірки для білкового препарату. Студентів стало менше, ніж було раніше, можливо, тому, що Парч більше не викладає. Її аспірант Меган Торгрімсон, яка навчалася у Парча в коледжі, згадує свій магнетизм як викладача. Але хоча Партч подобалося мати молодших підопічних, вона вважає, що більше місця для роботи — це не погано. «Кожен окремий проект у лабораторії прямо зараз мене дуже в захваті», — каже вона.

За останні три роки було реалізовано багато давніх проектів. На екрані в лабораторії постдок Джон Філпотт піднімає фігуру з групи новий папір in Молекулярна клітина, що стосується мутації в PER2, пов’язаної з сімейним розладом фази сну, станом, який скорочує щоденний цикл на величезні чотири години. Він показує на малюнку, як PER2 є масою переважно невпорядкованих областей. «Це надзвичайно важливі регіони», – каже він. Поки Парч не показав протилежне, «більшість людей звикли думати, що безлад — це нефункціональні частини».

На засіданні лабораторії молодші вчені ведуть обговорення нових даних. Партч сидить у своєму інвалідному візку й слухає, час від часу підключаючись. «Лабораторія чудово впоралася з невизначеністю» діагнозу, каже вона мені. Тепер, коли вона більше не може проводити експерименти сама, вона зосереджує велику частину своєї енергії на тому, щоб спрямувати їх у правильному напрямку.

Партч дедалі частіше замислюється над тим, що є універсальним у життєвому вимірюванні часу. Кілька років тому ЛіВан запросив її попрацювати з ним над годинником у ціанобактеріях, який не має нічого спільного з годинником людини. Він складається лише з трьох білків під назвою KaiA, KaiB і KaiC, чия активність зростає та падає в 24-годинному ритмі, і двох їхніх партнерів по зв’язуванню, які керують трансляцією генів. У 2017 році команда під керівництвом LiWang і Partch випущено детальні структури кожного з комплексів, виявляючи складки та повороти, які дозволяють їм прикріплюватися один до одного. Пізніше група показала, що вони можуть помістити білки-годинники в пробірку та змусити їх працювати днями, навіть місяцями.

Вони глибоко зайнялися записом того, як керувався цей цикл, коли Партч упізнала те, що вона бачила, вивчаючи людський годинник: конкуренцію. Маленька мітка, де CRY1 зв’язується з BMAL1, також є місцем, де зв’язується один із найсильніших активаторів BMAL1. Якщо CRY1 випереджає цей активатор, займаючи його місце в мітці, годинник може рухатися лише вперед. Він заблокований у цьому процесі, чекаючи хвилин і годин, поки зв’язок білка CRY1 розпадеться і цикл годинника почнеться знову.

Партч зрозумів, що в годиннику ціанобактерій конкуренція між компонентами працює так само. Він також з’являється в годиннику таких організмів, як хробаки та гриби. «Здається, це збережений принцип у дуже, дуже різних годинниках», — сказала вона. Вона задається питанням, чи відображає це фундаментальну біофізичну істину про те, як природа створює машини, які рухаються вперед у часі, дотримуючись шляху, з якого вони не можуть звернути.

Час для життя на Марсі

Ще один світанок. Світло сонця пробивається крізь холодні простори космосу, аж до Землі, у фарфорово-блакитні очі Керрі Партч. CLOCK і BMAL1 починають свій танець. Вона йде на роботу. Вона тусується зі своїми хлопцями, яким 13 і 18 років. Молодший, який любить переглядати кролячі нори на YouTube про хімію, наполягає на тому, щоб вони разом переглянули дивовижне безглузде годинне відео про виділення ваніліну з гумових рукавичок і перетворення його на гострий соус. Вона думає про стрічки та котушки білків годинника. Деякі люди, зіткнувшись з її діагнозом, можуть вирішити, що настав час щось змінити, але Партч ніколи не думала відвертатись від годинника. Вона хоче знати кінець багатьох історій.

Коли вона уявляє майбутнє, де ми справді розуміємо циркадіанну біологію, вона уявляє, що знає, що робить чийсь годинник у будь-який момент доби. У відповідь на конкурс пропозицій Агентства перспективних оборонних досліджень (DARPA) вона та її колеги одного разу придумали ідею носового зонда, який міг би оцінювати стан вашого годинника, передавати дані про нього та, можливо, навіть змінювати його. Відомо, що DARPA віддає перевагу далеким пропозиціям, але Партч жартує, що вони перевершили DARPA, оскільки вони не отримали грошей. Вона все ще думає про потенціал цього пристрою.

З усіх планет Сонячної системи, що обертаються, саме ця з її 24-годинним днем ​​сформувала нас. З цієї причини виникають серйозні питання щодо того, як люди залишатимуться здоровими, якщо ми спробуємо жити на інших планетах. Подібно до каруселі, чиє обертання здається м’яким, поки ви не спробуєте злізти, земні цикли, вкорінені в наших клітинах, можуть тягнути нас небезпечно. «Вони справді прив’язують нас до Землі», — сказав Партч.

Але вона уявляє, що зможе налаштувати динаміку CLOCK, BMAL1 або одного з їхніх багатьох партнерів, щоб космічні мандрівники не хворіли через пошкоджені годинники. Природа надихає: мутація в CRY1 виявлена ​​в лабораторії Майкл Янг в Університеті Рокфеллера подовжує циркадний цикл людини приблизно на 40 хвилин, прирікаючи його носіїв на постійно невідповідний цикл сну на Землі. Парч зазначає, що це забезпечить ідеальний час для життя на Марсі.

Партч виявляє, що її голос сьогодні все більше підводить. Вона задоволена створеним штучним інтелектом клоном свого голосу, який вона отримала, але вона все одно скоротила виступи та подорожі. Її відсутність на засіданнях циркадного годинника кидається в очі колегам, шанувальникам і друзям. Сучасна хронобіологія побудована на науковому внеску лауреатів Нобелівської премії та інших відомих піонерів, а також на структурних деталях, які вона виявила. "Там набагато багатший світ", - сказав Гарднер. «І Керрі Партч — це та, хто дала нам це».

У вітальні Партча, коли туман розгортається, щоб зустріти вечір, ми з нею говоримо про письменницю Урсулу Ле Гуїн, чиї художні твори часто були зайняті часом. У її романі РозкулаченіЛе Гуїн писав про те, як отримати час на свій бік — про те, як організувати своє життя так, щоб його хід ніс вас у обраному вами напрямку. «Працювати з часом, а не проти нього», — написала вона, «це те, що він не витрачається даремно. Навіть біль має значення».

«Чи є час на вашому боці?» Я запитую.

«Так», — каже Парч. «Так, я так думаю».