Радиоактивные изотопы

В конце 1951 года я занимался в основном теоретической работой, пытаясь понять возможный характер возрастных изменений белков. Господствующим в то время было представление, разработанное еще в конце 1930-х годов А. А. Богомольцем и А. В. Нагорным, о том, что возрастные изменения сосредоточены в структурах стабильных межклеточных белков типа коллагена и эластина, волокна которых годами функционируют без обновления. В цитоплазматических белках, которые постоянно и активно обновляются, какие-либо возрастные изменения не должны накапливаться. Однако эти теории не могли объяснить причины видовых различий скорости старения. Почему коллагеновые волокна, например, кожи или артерий, одинаковые по структуре у всех млекопитающих, инактивируются у мышей и крыс в течение двух-трех лет, а у человека в течение 70–80 лет? Моя гипотеза предполагала, что старение связано с изменениями внутриклеточных, активно обновляемых белков, которые накапливают изменения, возникающие в результате ошибок при непрерывном распаде и ресинтезе этих белков. Эти ошибки меняют сложную структуру части молекул белков ферментов, снижая их удельную активность (активность в расчете на одно и то же число молекул фермента). Скорость старения, таким образом, определялась уровнем точности синтеза белков. Но сам механизм синтеза белков был в то время еще неизвестен. Эту гипотезу я в начале 1952 года изложил в своей статье «Проблема старения и самообновления внутриклеточных белков», которая в мае 1952 года была опубликована в журнале «Успехи современной биологии» (Т. 33. № 2. С. 202–217).

Однако экспериментальная проверка этой теории оказалась исключительно трудной. Для этого нужно было выделять в чистом виде какие-то индивидуальные белки, ферменты или гормоны и определять их специфическую удельную активность. Теоретически в этом случае, например, 1 мг фермента каталазы или гормона инсулина, выделенных из тканей старых животных, по своей активности был бы ниже, чем 1 мг этих же белков, выделенных из тканей молодых животных. Проведение таких анализов в условиях кафедры агрохимии было нереальным. В качестве экспериментальной темы на 1952–1953 годы я выбрал лишь изучение активности синтеза белков в листьях бобовых культур в зависимости от возраста листьев и возраста растений. Этот синтез можно было связать и с действием азотных удобрений. Это был простой проект, не суливший каких-либо открытий.

Направление моих теоретических исследований существенно изменилось летом 1953 года после сенсационных открытий – двуспиральной структуры ДНК и механизма ее репродукции, сделанных в Кембридже Дж. Уотсоном (J. Watson) и Ф. Криком (F. Crick). Стало очевидным, что синтез белков контролируется нуклеиновыми кислотами каким-то сложным путем переноса информации и что «ошибки синтеза» могут происходить именно в этой фазе самообновления.

В мае 1954 года меня и аспиранта Евгения Федорова пригласил к себе в кабинет заведующий кафедрой А. Г. Шестаков и с видом конспиратора сообщил: «Ребята, я достал немного радиоактивного фосфора… нужно придумать какие-то новые опыты с использованием меченых атомов… – И он достал из жилетного кармана довольно большую ампулу. – Здесь 30 милликюри. Период полураспада четырнадцать дней. В течение двух-трех месяцев можно проводить измерения активности. Счетчики Гейгера мы на днях закажем и привезем». С этими словами он передал ампулу мне. Я был очень рад такому повороту в работе. Использование радиоактивных изотопов в биохимии растений создавало множество новых возможностей. Можно было начать и изучение синтеза нуклеиновых кислот, которые содержат в своей структуре атомы фосфора.

В моей библиотеке уже имелось несколько переводных руководств по использованию меченых атомов в исследованиях по физиологии и биохимии. Радиоактивный фосфор (P32) имел жесткое бета-излучение большой энергии, которое проникало на один-полтора сантиметра внутрь тканей. 30 милликюри – очень большая доза, в жилетном кармане эта ампула могла за короткий срок вызвать радиационный ожог, повредив у Шестакова подкожные слои как раз в районе сердца. Я мог слегка повредить кожу на кончиках пальцев, держа ампулу в руках несколько минут. Но каких-либо средств защиты или дистанционной манипуляции у нас в то время еще не было. Шестаков, возможно, принес ампулу из соседней засекреченной лаборатории биофизики. Она входила в состав нашей кафедры, и в ней, как мы знали, работы с радиоактивностью и излучениями велись уже несколько лет. Для этого была своя, «закрытая», секция вегетационного домика. Этой лабораторией руководил профессор Всеволод Маврикиевич Клечковский, который совмещал работу в ней с преподаванием агрохимии студентам.

У меня к тому времени в вегетационном домике за корпусом кафедры росли на разных режимах азотного питания около тридцати молодых растений фасоли. Вегетационный домик для агрохимических опытов – это, по существу, большое, высокое, застекленное, но хорошо вентилируемое помещение, в котором в стеклянных сосудах, установленных на вагонетках, выращиваются на разных смесях удобрений те или иные растения. Перемещение вагонеток обеспечивает равномерный световой режим. Единственное, что можно было быстро сделать с радиоактивным фосфором в форме фосфата натрия, это внести его в разных дозах в вегетационные сосуды с поливной водой и затем следить, каким образом он утилизируется в листьях разных ярусов растений и в течение всего периода роста и развития растений.

Париж. Международная конференция по радиоизотопам

Первые опыты с радиоактивным фосфором были довольно простыми. Федоров занимался вопросами утилизации фосфорных удобрений при разных уровнях кислотности почвы, меня интересовал синтез нуклеиновых кислот, РНК и ДНК, в листьях разного возраста и в репродуктивных органах растений. Мы разделили ампулу на двоих. Для этого ее нужно было открыть, срезав оплавленный конец обычным напильником, и развести в небольшом объеме дистиллированной воды в мерной колбе. Никаких защитных костюмов, экранов или масок не было, все делали вручную. Вскоре радиоактивные фосфор и серу (S35) стали получать и другие сотрудники. Меня назначили ответственным за работы с радиоактивностью на кафедре. Эксперименты с применением радиоактивных изотопов начинались и на других кафедрах, где-то в СССР вступил в строй засекреченный завод по производству радиоактивных изотопов для научных исследований.

Первыми опытами с применением радиоактивного фосфора, а вскоре и радиоактивной серы, которую я смог получать не только в виде сульфатов, но и в форме меченого S35 метионина (аминокислоты, входившей в состав почти всех белков), было изучение распределения радиоактивности по листьям разных ярусов (молодые вверху, более зрелые внизу) через разные сроки после внесения радиоактивных изотопов в питающую корни среду. Это можно было делать непосредственно на растущем растении счетчиком Гейгера, а также с помощью радиоавтографии, путем контакта растений или только листьев с рентгеновской пленкой.

В 1954 году я в основном осваивал различные методики, читал литературу и обдумывал возможности использования меченых аминокислот для изучения механизма синтеза белков и нуклеиновых кислот. В США и в других западных странах биохимики, применявшие радиоактивные изотопы, опережали нас благодаря техническим преимуществам. Они могли получать меченые по углероду, причем в определенной позиции, любые аминокислоты и нуклеотиды, а не только метионин. Они также имели в своем распоряжении суперцентрифуги и ультрацентрифуги, которые позволяли им осуществлять более полное фракционирование внутриклеточных образований, необходимое для выделения отдельных типов белков или нуклеиновых кислот. На продажу всех этих препаратов и центрифуг в СССР было наложено эмбарго, преодолеть которое путем покупки приборов через дружественных посредников в нейтральных странах (в Австрии и Финляндии) могли лишь некоторые особо важные институты, имевшие доступ к иностранной валюте. Посредники получали свои комиссионные. Бюджет Тимирязевской академии формировался только в рублях.

В 1955 году я разработал новый оригинальный метод препаративной радиоавтографии листьев растений, позволявший точно определять не только общую радиоактивность листьев, но и локализацию в них радиоактивных белков или нуклеиновых кислот. Для этого листья растений впрессовывались под большим давлением (от 50 до 150 атмосфер) с помощью гидравлического пресса в фильтровальную бумагу. На фильтровальной бумаге появлялся зеленый отпечаток листа, клетки которого были разрушены. Растворами некоторых кислот можно было удалять из отпечатка листа неорганические соединения, органическими растворителями – липиды и жиры, оставляя в отпечатке лишь белки и нуклеиновые кислоты, которые в результате денатурации прочно связывались целлюлозными волокнами бумаги. С этих отпечатков, уже сухих, можно было легко получать радиоавтографы, экспонируя их в рентгеновских кассетах в течение разных периодов времени. Количественно радиоактивность белков или нуклеиновых кислот можно было определять и в импульсах (распадах) в минуту счетчиком Гейгера.

Новизна и наглядность этой методики позволили мне опубликовать в 1956 году несколько статей в журналах и в сборниках конференций. Методика была впоследствии зарегистрирована как изобретение. С 1955 года я уже работал не один. Под мое руководство перешли два аспиранта. К ним вскоре добавились один дипломник и два практиканта из Китая. Меня утвердили в должности старшего научного сотрудника.

Важное влияние на нашу семейную жизнь оказало и то, что мне предоставили в академии жилую площадь – комнату в корпусе, где жили в основном профессора и преподаватели. В этой комнате (примерно 14 кв. м) мы разместились без проблем. Две другие комнаты в квартире занимала другая семья. Но на кухне имелась газовая плита, в ванной – горячая вода и в комнате – центральное отопление. В придачу ко всему этому комфорту в передней был еще и телефон. Ходить на работу мы могли пешком, а зимой на лыжах. В 1956 году в нашей семье появился еще один сын – Дима.

В том же году после секретного доклада Хрущева началась реабилитация жертв сталинского террора. Вернулись из заключения И. Г. Дикусар, В. П. Эфроимсон и талантливый биохимик А. А. Баев. Был посмертно реабилитирован мой отец. Больше двадцати крупных селекционеров, генетиков и биохимиков, арестованных в 1937–1941 годах (Н. И. Вавилов, Г. К. Мейстер, А. А. Сапегин, Г. Д. Карпеченко, С. Г. Левит, Н. М. Тулайков, Г. А. Левитский, А. Р. Кизель и др.), были реабилитированы тоже посмертно. Но даже эти посмертные реабилитации имели очень большое значение для советской науки, так как возвращали в научный оборот огромный массив достижений, о которых в недавнем прошлом нельзя было писать. Цензура просто вычеркивала все упоминания этих имен. Советские исследования в естествознании на рубеже 1934–1935 годов были значительно глубже и шире, чем американские. Молодые ученые и студенты об этих прошлых достижениях часто ничего не знали. Мои собственные первые познания в биохимии были почерпнуты в 1942 году из книги А. Р. Кизеля «Химия протоплазмы», изданной в 1940 году. Она освещала проблему полнее и глубже, чем любая иностранная монография того времени. Кизель первым предположил возможное участие нуклеиновых кислот ядра клетки в явлениях наследственности. Он основал кафедру биохимии растений в МГУ. Кизель был арестован в начале 1942 года и в сентябре того же года расстрелян.

В конце 1956-го было объявлено, что очередная Международная научная конференция ООН по проблемам атомной энергии состоится в Париже 9–20 сентября 1957 года по общей теме «Применение радиоизотопов в научных исследованиях». Проведение этой конференции было возложено на ЮНЕСКО – Организацию Объединенных Наций по вопросам образования, науки и культуры, штаб-квартира которой находилась в Париже. Советский Союз получал на конференции ООН такую же квоту на количество делегатов, как и США. В данном случае это означало, что с докладами на конференции из СССР могли приезжать 70–80 ученых. Общее число участников приближалось к двум тысячам. Для того времени это было грандиозное собрание ученых. Но в СССР исследования с применением радиоизотопов в биологии, медицине, химии и сельскохозяйственных науках еще только разворачивались. Представить на парижскую конференцию даже семьдесят качественных работ оказалось крайне трудно. Отбор заявок на доклады по сельскохозяйственному сектору, который включал и физиологию растений, был поручен профессору Клечковскому, руководителю лаборатории биофизики на нашей кафедре. Для выбора докладов в Москве срочно созывалась Всесоюзная конференция по применению изотопов и ядерных излучений. Я выступил на этой конференции с докладом «Новый метод препаративной радиоавтографии для изучения локализации и скорости синтеза белков и нуклеиновых кислот в растениях», для которого были подобраны очень понятные и оригинальные иллюстрации. Клечковский вскоре сообщил, что мой доклад отобран для представления в Париже, причем не на секционном, а на пленарном заседании. Мне предложили быстро представить текст для перевода на английский. В Париже доклад предстояло читать на русском, который был, наряду с французским и английским, официальным языком конференции. Однако публикация трудов конференции в нескольких томах планировалась лишь на английском. Доклады на международных конференциях ООН обеспечиваются синхронным переводом на родной язык участников. Рефераты всех докладов, а это сотни работ, нужно было срочно издать на английском и раздать всем участникам конференции.

Летом 1957 года мне выдали множество разных анкет, которые следовало заполнить для получения заграничного паспорта. Часть этих бумаг шла в Министерство иностранных дел СССР, где готовились паспорта и выдавались визы. Другая часть анкет и справок шла в особую Выездную комиссию ЦК КПСС, входившую в отдел агитации и пропаганды, который возглавлял тогда секретарь по идеологии М. А. Суслов. Именно этот отдел являлся связующим звеном между ЦК КПСС и КГБ. В. М. Клечковский тоже входил в состав советской делегации. Его доклад был посвящен применению радиоактивных изотопов в опытах с удобрениями. Для Клечковского это была не первая поездка за границу. Два раза членов советской делегации вызывали на инструктаж в МИД и в ЦК КПСС. Ученым из Харькова, Киева или Ташкента приходилось приезжать для этого в Москву. Многие, как и я, никогда не выезжали за пределы СССР. Нам объясняли правила поведения, рекомендовали не выходить на улицу по одному, только вдвоем или группами. Запрещалось посещать в Париже особый район кабаре, стриптиза и «красных фонарей». Не рекомендовалось разговаривать в номерах гостиниц на профессиональные темы, так как там могли быть установлены подслушивающие устройства, как и в телефонах. Около половины членов советской делегации работали в режимных институтах с засекреченной тематикой. Каждого из нас обязали фиксировать все контакты с иностранными коллегами и написать детальный отчет о поездке, впечатлениях и встречах. Руководителем советской делегации в Париж был назначен А. В. Топчиев, ученый секретарь Президиума АН СССР.

Заграничные паспорта с готовыми визами нам выдали в обмен на внутренние только перед отлетом 7 сентября вместе с билетами в каком-то помещении аэропорта Внуково. Командировочные во франках, сразу на две недели, мы получили уже в Париже. На конференциях ООН все расходы делегаций обеспечиваются их правительствами.

И вот, наконец, небольшой винтовой двухмоторный самолет финской авиакомпании поднял одну из групп делегации в воздух и направился к Копенгагену. Прямых беспосадочных рейсов из Москвы в Париж тогда еще не было. Из Копенгагена, пообедав в аэропорту, мы полетели в Париж вместе с другой группой в более солидном самолете «Скандинавских авиалиний». В Париже приземлились вечером.

В гостинице на берегу Сены в Латинском квартале я оказался в одной комнате с Клечковским. Он уже бывал в Париже два раза. При выходе из гостиницы на прогулку нас остановил невысокий человек: «Вы надолго?..» Клечковский объяснил. «Возвращайтесь не позже одиннадцати». Это был один из четырех агентов КГБ, входивших в состав делегации под видом ученых.