«Красота архитектуры мозга завораживала меня»: первая женщина-президент MIT — о начале своей карьеры в науке

Вирусные аккумуляторы и белковые фильтры для воды. Какие еще инновационные технологии созданы на стыке биологии и инженерии? Нейробиолог Сьюзан Хокфилд написала книгу «Время живых машин. Биологическая революция в технологиях», в которой она описывает некоторые из самых интересных новых разработок, созданных в результате совместной работы ученых и инженеров. Книга выходит в издательстве «Альпина Паблишер» 6 ноября, Forbes Woman публикует фрагмент о начале карьеры Сьюзан Хокфлид.

Мною всегда владело непреодолимое желание понять, как работают разные устройства, и я удовлетворяла это любопытство, разбирая их на части. Еще ребенком, задолго до того, как поняла, что хочу быть ученым, я раскурочивала все подряд. Моя любознательность заставляла меня исследовать детали, из которых состояло устройство, и изучать, как эти части собирать вместе, чтобы оно заработало.

Зачарованная зрелищем того, как отец чинит почти все в нашем доме, я разобрала утюг и пылесос. Я вскрыла свои любимые часы, чтобы изучить работу пружины и шестеренок, но это кончилось тем, что пружина раскрутилась, часы вырвались у меня из рук, разлетевшись на десятки частей, с которыми уже ничего нельзя было сделать. Мое любопытство распространялось и на то, что было за порогом дома: я потрошила нарциссы в нашем саду, а также желуди, только пустившие первые зеленые побеги новых молодых дубков. То, как работает утюг, мне стало ясно после первой попытки его разобрать, но почему цветут нарциссы и растут дубы, оставалось для меня тайной.

Как ярко-желтые цветки появляются из зеленого бутона? Почему лепестки желтые, а не красные? Что внутри желудя неожиданно заставляет его прорастать? Тайны живого захватывали меня с самого детства. Что же является его пружинами и шестеренками? Эта детская страсть все разбирать на части привела меня к работе, которой я посвятила всю жизнь. В то время, когда я формировалась как ученый, мне очень повезло оказаться в центре двух крупных биологических революций.

Первая из них, молекулярная биология, открывала тайны строительных блоков всех живых организмов; вторая, геномика, давала молекулярной биологии шкалу, необходимую для того, чтобы определить гены, ответственные за развитие болезней, и отследить их в разных популяциях и видах. Невозможно переоценить важность этих революций.

Молекулярная биология серьезно заявила о себе в конце 1940-х и начале 1950-х гг., когда коллектив ученых, многие из которых были по образованию физиками, использовал ряд новых методов (большинство из них ведут свое происхождение от методов, разработанных во время Второй мировой войны) для описания биологических механизмов на новом уровне детализации. Они улучшили наше понимание того, что происходит на уровне отдельных молекул, отсюда и произошло название «молекулярная биология».

Самые известные из этих ученых — Джеймс Уотсон , Фрэнсис Крик , Морис Уилкинс и Розалинд Франклин — использовали изобретенный в то время рентгеноструктурный анализ, чтобы определить структуру ДНК, что обеспечило множество новых возможностей. Ученые могли теперь понимать биологию на уровне клеточного «аппаратного обеспечения» — ДНК, РНК и белки как строительный материал всей живой материи. Со временем новые инструменты позволили выяснить внутреннее устройство здоровых клеток и улучшить наше понимание нарушений, сигнализирующих о возникновении болезни. Попутно ученые также основали биотехнологические компании, такие как Genentech , Biogen и Amgen, разработали новые способы лечения рака, рассеянного склероза и гепатита .

Таким образом они спасли огромное количество жизней, создали десятки тысяч рабочих мест и внесли значительный вклад в экономический рост. Если молекулярная биология сделала возможным изучение «аппаратного обеспечения» клеток, то геномика — еще один революционный раздел биологии — позволила изучать их «программное обеспечение» — код, хранящий набор инструкций для каждого живого организма. Геномика, дополнительную энергию которой придавали достижения в области вычислительной техники, создала карту человеческого генома5, а также инструменты для анализа в высоком разрешении ДНК и РНК всех видов живых существ на Земле.

Благодаря успехам в анализе последовательности генов и геномных данных, позволяющим сравнивать геномную информацию тысяч отдельных людей, ученые начали открывать загадки сложных, многофакторных основ многих болезней. Эти достижения дали возможность биомедицине развивать новые методы лечения пациентов, основанные на уникальном для каждого составе генов и подтипе заболевания, так что теперь мы можем бороться с болезнями отдельного человека с помощью индивидуально подобранной терапии. Те же самые методы используются для изучения животных и растений и, как мы увидим в следующих главах, для того, чтобы изобретать новые решения для некоторых из самых сложных индустриальных и общественных задач.

Я изучала биологию, еще будучи студенткой, но это было за годы до того, как молекулярная биология и геномика захватили науку. Проходя постдипломное обучение, я решила специализироваться на нейроанатомии, изучающей строение, развитие и функциональную организацию нервной системы.

Красота архитектуры мозга завораживала меня. Используя самые передовые методы, доступные в то время, я изучала нервные клетки и их изысканно-сложные взаимосвязи. Я исследовала, как эти клетки взаимодействуют в процессе развития высокоорганизованных структур, которые дают нам возможность видеть, слышать, думать и мечтать. И я узнавала, как ранний опыт может навсегда изменить и структуру, и биохимию мозга. Но тогда я не могла увидеть более фундаментальные структурные элементы, а именно белки и другие молекулы — механизм работы мозга.

Молекулярная биология еще не добралась до нейронауки. Вскоре после получения степени PhD мне выпала редкая удача получить место в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор Джеймса Уотсона, одного из первооткрывателей структуры ДНК. Там я узнала, как биологи, работающие в других отраслях науки, используют молекулярную биологию, чтобы показать, как гены влияют на деятельность всех живых организмов, как растений, так и животных. Вирус гриппа, тина в пруду, тюльпаны, яблони, бабочки, дождевые черви, лососи, щенки гончих, люди — молекулярные биологи доказали, что все эти организмы состоят из одного набора биологических структурных элементов. Далеко опережая большинство других ученых, Уотсон уловил, что идеи и инструментарий молекулярной биологии могут совершить революцию в изучении всего живого. Он понимал, что у этой научной области есть сила превратить биологию из науки, являющейся результатом наблюдений, в науку прогнозирующую. Под его руководством ученые из КолдСпринг-Харбор добились успехов в молекулярной биологии, открыв механизмы, управляющие вирусами и дрожжами, а затем использовав те же методы, чтобы понять работу клеток, взятых у животных и выращенных в лаборатории. Задолго до появления необходимых технологий Уотсон также предвидел возможность того, что инструментарий молекулярной биологии может дать ответы на многие загадки мозга.

Эта возможность пленяла меня. Когда я начала работать в Лаборатории Колд-Спринг-Харбор , нейронаука оставалась одной из последних биологических наук, которые сопротивлялись радикально новым открытиям молекулярной биологии. Я пошла поперек главного направления нейробиологии и присоединилась к горстке предприимчивых ученых, которые воспользовались инструментарием молекулярной биологии и стали основателями новой области — молекулярной нейробиологии. Даже интеллектуальные революции сопряжены с опасностями и сеющими раздор силами. Сражение за новый подход к нейронауке поставило под удар наши гранты, места работы и карьеру. Яростные споры превращали чопорные заседания в рассадники тайной ненависти. В одном споре на международном совещании ученые, изучавшие человеческий мозг, схлестнулись с теми, кто занимался нервной системой насекомых.

Столкновение возникло из-за вопроса, могут ли знания о насекомых пролить свет на происходящее с людьми. В своей основе это был спор о молекулярных механизмах эволюции. И по правде говоря, он скорее представлял из себя неприглядную сцену в духе «кто кого перекричит», а не научный спор, поскольку у нас еще не было «комплектовочной ведомости» нервной системы, чтобы можно было окончательно и бесповоротно сравнить ее у насекомых и людей. Мы не знали ничего о ее генах и не могли проследить их экспрессию в процессе развития нервной системы.

Наша маленькая группа ренегатов, наша «банда» пионеров молекулярной биологии постепенно брала верх, и начатое нами движение вырастало в крупную силу, которая, объединив классические исследования мозга и инструментарий молекулярной биологии, изменила нейронауку, позволив сделать открытия, ранее просто немыслимые и объясняющие, как работает мозг, а также открывающие новые стратегии клинических вмешательств. Благодаря этим прорывам в молекулярной биологии сегодня у нас есть новые способы диагностировать и лечить заболевания мозга, которые еще несколько десятилетий назад считались трудно контролируемыми. Среди них эпилепсия, нарушения развития нервной системы, инсульт и воспалительные заболевания, такие как рассеянный склероз.

Кроме того, есть причины надеяться на новые открытия, касающиеся множества все еще неизлечимых болезней, в том числе болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний. Невозможно описать, насколько потрясающе было участвовать в научной революции, которая свела вместе такие разные дисциплины и идеи. Живя и работая в то время, я стала участницей и сторонницей того, о чем теперь думаю как о «сходящемся» подходе к открытиям.