Бриттон Чанс: биофизик, который измерял мгновения

24 июля 1913 года родился Бриттон Чанс — биохимик, биофизик, инженер и олимпийский чемпион, чья научная карьера была посвящена почти невозможной задаче: увидеть процессы, протекающие слишком быстро или слишком глубоко внутри организма для обычного наблюдения.

В первой половине XX века биохимики уже знали, что ферменты ускоряют реакции в клетках. Однако многие промежуточные стадии этих реакций занимают лишь тысячные доли секунды. К тому времени, когда исследователь успевал провести измерение, самое интересное уже заканчивалось.

Чанс решил эту проблему не только как биохимик, но и как инженер.

Как увидеть реакцию продолжительностью в миллисекунды

В 1930-х годах Чанс разработал миниатюрный прибор для исследования быстрых химических реакций. Позднее подобные системы стали известны как установки stopped-flow — «остановленного потока».

Принцип метода сравнительно прост. Два раствора очень быстро смешивают и направляют в небольшую измерительную камеру. Затем поток жидкости резко останавливают, а оптическая система начинает регистрировать изменения, происходящие после смешивания.

Химическая реакция при этом не останавливается. Прекращается только движение раствора, благодаря чему прибор может многократно измерять поглощение света одной и той же реакционной смесью. По изменению сигнала исследователи определяют скорость реакции и обнаруживают короткоживущие промежуточные состояния.

С помощью своего прибора Чанс получил экспериментальные данные о временном комплексе, возникающем между ферментом и молекулой, на которую он действует. Существование такого комплекса предполагалось теоретически, но непосредственно зарегистрировать его было сложно.

Эти работы стали важной частью формирования современной ферментативной кинетики — области, изучающей скорость и последовательность химических превращений, управляемых ферментами. Современные stopped-flow-системы значительно совершеннее первых приборов Чанса, но используют тот же основной принцип.

Свет как источник информации о живой ткани

Позднее Чанс перешёл от отдельных ферментов к энергетическому обмену в клетках и тканях. Его особенно интересовали митохондрии — клеточные структуры, в которых энергия питательных веществ преобразуется в форму, доступную клетке.

Работу митохондрий невозможно оценить простым наблюдением под микроскопом. Однако молекулы, участвующие в клеточном дыхании, по-разному поглощают свет в зависимости от своего химического состояния.

Чанс разрабатывал спектрофотометрические приборы, способные различать небольшие изменения оптического сигнала. В частности, двухволновая спектрофотометрия позволяла сравнивать поглощение света на двух длинах волн и уменьшать влияние посторонних сигналов.

Так исследователи получили возможность следить за изменениями клеточного дыхания и использованием кислорода почти в реальном времени.

В дальнейшем Чанс участвовал в развитии магнитно-резонансной спектроскопии для исследования метаболизма в живом организме. В отличие от обычного изображения органа, спектроскопия позволяет получать информацию о присутствующих в ткани химических соединениях и происходящих там биохимических процессах.

Он также стал одним из основателей биомедицинской оптики — направления, в котором свет используется для исследования живых тканей. Особенно важными оказались методы ближней инфракрасной спектроскопии.

Свет ближнего инфракрасного диапазона способен проникать в биологические ткани на определённую глубину. Гемоглобин, содержащий кислород, и гемоглобин без кислорода поглощают такой свет неодинаково. Анализируя изменения сигнала, можно косвенно оценивать снабжение тканей кислородом и состояние кровообращения.

Сегодня эти принципы применяются при исследовании мозга, мышц и других тканей. Современные методы основаны на более точных источниках света, детекторах и математических моделях, поэтому было бы неверно приписывать Чансу создание всех нынешних технологий медицинской визуализации. Его вклад состоял в разработке фундаментальных инструментов и подходов, показавших, что биохимические процессы внутри живого организма можно изучать неинвазивно.

Олимпийский чемпион из биохимической лаборатории

Научная биография Чанса необычна ещё по одной причине. Он был выдающимся яхтсменом.

На Олимпийских играх 1952 года в Хельсинки Чанс был капитаном и рулевым американской яхты Complex II. Экипаж выступал в классе 5,5 метра и завоевал золотую медаль, выиграв три из семи гонок.

Название яхты было связано с биохимией. Complex II отсылало к промежуточному комплексу, возникающему во время ферментативной реакции, — именно к тем кратковременным состояниям, которые Чанс стремился зарегистрировать своими приборами.

Связь науки и парусного спорта в его жизни была неслучайной. Управление яхтой требует непрерывно замечать небольшие изменения направления ветра, положения судна и натяжения парусов. В лаборатории Чанс решал сходную задачу: создавал приборы, способные фиксировать слабые и быстротечные изменения в сложной биологической системе.

Бриттон Чанс умер в 2010 году в возрасте 97 лет. Он оставил после себя не одно отдельное открытие, а целую исследовательскую традицию на пересечении биологии, физики и инженерии.

Его работы напомнили о важном принципе науки: иногда для нового открытия недостаточно сформулировать правильный вопрос. Сначала приходится изобрести инструмент, который позволит увидеть ответ.