имеют магнитные поля. Магнетизм может также объяснить поведение самых удивительных объектов в космосе, включая огромные струи (джеты) ионизированного вещества, выбрасываемые сверхмассивными черными дырами: считается, что они вызваны частицами, ускоренными в запутанных магнитных полях в центре этих плотных компактных объектов. Знание о синхротронном излучении помогло астрономам, регистрирующим радиоизлучение из космоса, получить представление о подобных объектах и лучше понять магнитные свойства нашей Вселенной.

В GE свет поначалу восприняли как диковинку и демонстрировали его всем посетителям. Затем ученые поняли, что могут использовать свет для настройки, оптимизации и управления синхротроном, что помогло им спроектировать новые машины для продажи. В течение следующих нескольких лет по всему миру были построены синхротроны с более высокой энергией, и вскоре стало очевидно, что синхротронное излучение обладает куда большим потенциалом, чем просто диагностика электронного пучка. Изобретатель бетатрона Дональд Керст отлично это подметил в своем высказывании: «Как было бы интересно, если бы эти красивые и сложные машины внесли свой наибольший вклад в науку в качестве электрических лампочек»[169]. Во многих отношениях ироничное замечание Керста оказалось пророческим. Как только синхротронное излучение было получено в лабораторных условиях, оно тут же стало непревзойденным инструментом научных исследований, применяющимся в различных областях – от химии и биологии до материаловедения и археологии.

Впервые ученые попытались использовать синхротронное излучение в Корнелле в 1956 году, а пять лет спустя – в Национальном бюро стандартов США, которое устанавливает стандарты работы в таких областях, как радио, автомобильная промышленность и электроника. Подтверждено, что синхротронное излучение намного превосходит любой стандартный источник света или рентгеновскую трубку. Другие быстро последовали примеру, адаптировав существующие синхротроны под нужды пользователей, чтобы те могли получить доступ к свету для экспериментов. Сначала этим сторонним пользователям приходилось бороться за время и пространство на объектах ядерной физики, но к 1970 году был построен первый пользовательский объект: Источник синхротронного излучения (SRS) в лаборатории Дарсбери, Великобритания. Правительства по всему миру начали строить ускорители частиц не для ядерной физики, а для удовлетворения потребностей широкого круга научных и коммерческих пользователей. К 1974 году в мире насчитывалось более 10 синхротронных установок, спроектированных и построенных специально для генерации синхротронного излучения.

Изображения могут быть получены с использованием синхротронного излучения путем помещения образцов в световое поле в вакуумной камере и записи результата, первоначально при помощи фотопластинок, как было в 1970-х годах, а в настоящее время – цифровых детекторов. Исследуемые образцы могут быть невероятно разнообразными: примеры включают в себя шоколад, сталь и даже кусочки морского огурца.

Область, которая, возможно, выиграла от синхротронного излучения куда больше, чем любая другая, – это структурная биология. Здесь огромную роль играют физические структуры в микроскопическом масштабе: то, как сворачиваются белки, возникают болезни и даже сама структура ДНК. Как объяснил оксфордский профессор биологии Дэвид Стюарт в интервью для медицинского факультета Наффилда, структурные биологи занимаются очень подробным изучением биологии, подобно тому как для знакомства с принципом работы автомобиля надо изучить каждую его деталь – как она взаимодействует с другими частями и как все вместе они составляют машину. Организмы, подобные нам, состоят из триллионов клеток, которые обладают поразительным разнообразием внутренних компонентов, действующих на наноуровне. Когда мы понимаем, как работает биология в таком масштабе, это дает нам возможность принимать меры, когда что-то идет не так.

Нынешнее понимание структурной биологии во многом обязано рентгеновской кристаллографии – жемчужине в короне методов визуализации. Этот метод использовался задолго до того, как появились источники синхротронного излучения, и на его основе было присуждено не менее 28 Нобелевских премий.

Все началось с того, что Уильям и Лоуренс Брэгги из Университета Аделаиды, британо-австралийские физики, отец и сын, в 1913 году взяли источник рентгеновского излучения и направили его на кристалл соли. Появившаяся дифракционная картина, как они поняли, могла рассказать им о структуре самого кристалла, вплоть до уровня атомов[170]. Вслед за ними ученые усовершенствовали эту технику, чтобы разгадать структуру практически каждой важной молекулы и материала. Кэтлин Лонсдейл (коллега Уильяма Брэгга) в 1929 году с помощью рентгеновской кристаллографии выяснила, что бензольное кольцо является плоским, в то время как Дороти Ходжкин определила структуру пенициллина (1949), витамина В12 (1955) – достижение, за которое она получила Нобелевскую премию в 1964 году, – и инсулина (1969), последняя задача заняла у нее 34 года. В 1952 году Розалинд Франклин, как известно, использовала рентгеновскую кристаллографию для получения так называемой фотографии 51, показывающей двуспиральную структуру ДНК. Таким образом были определены структуры графита, графена, гемоглобина, миоглобина и бесчисленного множества других веществ, и все это было сделано с помощью обычных рентгеновских трубок. Но с появлением источников синхротронного излучения кристаллография стала значительно более мощной и остается таковой по сей день.

Благодаря синхротронам были совершены огромные прорывы в фундаментальной науке. Используя кристаллографию, сэр Джон Уокер и другие раскрыли структуру аденозинтрифосфата (АТФ) – молекулы, которая транспортирует и накапливает энергию во всех растительных и животных организмах, включая человека. Роджер Корнберг выяснил, как гены копируют сами себя с помощью мРНК, а Венкатраман Рамакришнан и его коллеги исследовали структуру рибосомы. Все это открытия, удостоенные Нобелевской премии. Обратите внимание, что эти прорывы не связаны с ядерной физикой или физикой элементарных частиц – областями, которые в первую очередь привели к случайному открытию синхротронного излучения.

Поначалу все это вкупе с научной мощью может показаться далеким от повседневной жизни, но стоит понимать, что наше знание основ биологии вирусов тоже зависит от рентгеновской кристаллографии. Это внезапно приобрело неотложное значение, когда COVID-19 впервые появился в Ухане, Китай, в конце 2019 года. Вирус SARS-CoV-2 содержит 28 белков. Эти белки представляют собой цепочки молекул, свернутые строго определенным образом, – представьте себе намеренно спутанный клубок шерсти. После сворачивания остаются так называемые активные центры, на которые можно воздействовать химическими соединениями. Структурные биологи могут копировать эти белки для изучения, используя их генетическую структуру для клонирования. Но сначала кто-то должен секвенировать геном вируса.

После того как вирус был впервые обнаружен в Китае 29 декабря, всего через 12 дней стали доступны шесть вирусных последовательностей. К 5 февраля 2020 команда Цзыхе Рао и Хайтао Яна из университета ШанхайТех внесла структуру главной протеазы (протеаза расщепляет белки, но также необходима для репликации вирусов, а потому это привлекательная цель при разработке лекарств) в Банк данных белков (англ. Protein Data Bank) – онлайн-ресурс, который ученые по всему миру используют в качестве главного хранилища своих данных. Они определили эту структуру в Шанхайском центре синхротронного излучения. К тому времени команда уже активно поделилась информацией с более