Прежде чем большинство правительств предприняли какие-либо действия, структурные биологи уже усердно работали с источниками синхротронного излучения по всему миру, создавая и изучая физические структуры белков, входящих в состав SARS-CoV-2. Все потому, что они знали: для того чтобы лекарство или вакцина были эффективными против вируса, человеческий организм должен вырабатывать молекулы, которые физически распознают, прикрепляются, а затем нейтрализуют и уничтожают нежелательный патоген. У любого варианта лечения или вакцинации одна и та же отправная точка: понимание того, как работает вирус. Ключ к этим знаниям лежит в структуре и функциях вируса. Как только мы поймем химическую основу для распознавания организмом вируса, мы можем попытаться разработать лекарство, снижающее его действие, или вакцину, которая заставит человеческий организм вырабатывать антитела. Главные сражения с пандемией COVID велись не в больницах, а в кольцеобразных зданиях размером с футбольное поле, в которых находились машины из области физики элементарных частиц.

На Австралийском синхротроне, в получасе езды от Мельбурна, доктор Элеонора Кэмпбелл работает в качестве специалиста по физике ускорителей, эксперта, который проводит эксперименты с синхротронным излучением и помогает другим ученым делать то же самое. Пока все остальные были отправлены домой на удаленную работу из-за разразившейся пандемии, Кэмпбелл была одной из немногих ученых, чья работа на этом объекте шла полным ходом. Она следила за экспериментальной станцией источника синхротронного излучения под названием MX2, используемой для макромолекулярной кристаллографии, которая позволяет ученым определять расположение и формы биологических молекул вплоть до атомов. В обычное время она работает в области химии, физики конденсированного состояния, инженерии, наук о Земле и материаловедения. Но в начале 2020 года вся работа была полностью посвящена исследованиям, связанным с COVID.

Экспериментальная станция получает синхротронное излучение из самого сердца объекта, непосредственно синхротрона, скрытого за большими бетонными защитными стенами. Основное кольцо выполнено из повторяющегося набора электромагнитов – железных блоков высотой по плечо, питаемых толстыми медными кабелями, – на которые с помощью меньшего ускорителя подаются высокоэнергетические (3 ГэВ) электроны. Специализированная оперативная группа посменно поддерживает круглосуточную работу. Электроны внутри синхротрона могут циркулировать и излучать свет в течение нескольких дней или недель, испуская излучение при непрерывном пополнении энергии. Когда один пучок электронов удаляется из машины, его место быстро занимает другой, так что пользователи едва могут заметить изменение в уровне излучения[171].

Ряд экспериментальных станций расположен по касательной к окружности кольца. Их расположение определяется «вставными устройствами», размещенными вокруг кольца для генерации синхротронного излучения. В настоящее время, вместо того чтобы просто использовать излучение, получаемое естественным образом в изгибающихся магнитах, «вставные устройства», называемые вигглерами и ондуляторами, буквально перемещают пучок, создавая луч, который можно настроить на определенную длину волны. Затем свет проходит через окно или порт, который выходит на экспериментальную установку, где ученые, готовые к сбору данных, проводят свои эксперименты, помещая образцы белков в держатель.

Первым шагом станет успешное превращение белка в кристалл, одна из самых сложных частей работы. Биологические молекулы большие и пластичные – иными словами, мягкие, – в то время как то, что мы обычно считаем кристаллами, к примеру соль, традиционно твердое. Работа Кэмпбелл заключается в том, чтобы убедить «массу биологической материи сформировать упорядоченный, твердый кристалл». Это процесс проб и ошибок, требующих тестирования многих реагентов – начиная с химикатов, которые работали в прошлом, – в точных количествах, пока не будет достигнут желаемый эффект. Если ученому повезет настолько, что из белков образуются кристаллы, ему все равно придется вылавливать крошечные кристаллы микрометрового размера с помощью миниатюрных нейлоновых петель. Эта ювелирная работа требует предельного терпения. Как только кристаллы готовы к изучению, исследовательские группы обычно берут с собой всю свою команду: они работают круглосуточно, чтобы максимально использовать отведенное им время. Однако во время пандемии многие исследовательские группы были вынуждены работать удаленно, в то время как Кэмпбелл и ее коллеги управляли установкой на месте.

Кэмпбелл знает, каково это – проводить эксперимент на таком объекте удаленно. Свои эксперименты для докторской в Кембриджском университете она проводила, сидя за компьютером в своей лаборатории, в то время как ее тщательно подготовленные образцы кристаллов удаленно помещались в луч кем-то другим из британского источника синхротронного излучения Diamond. Она нажимала кнопку «Обновить», и на ее экране появлялась новая форма белковой структуры. Пока Кэмпбелл получала представление о белках, фактическая геометрия всего эксперимента оставалась скрытой. Теперь она была по другую сторону: помогала удаленным пользователям проводить эксперименты, чтобы узнать как можно больше о коронавирусе.

Биологов, с которыми работала Кэмпбелл, не пугали ни удаленная настройка, ни работа допоздна. Без синхротрона им пришлось бы проводить дни напролет, используя лабораторный источник рентгеновского излучения: чтобы получить изображение с разных углов, уходит около 40 минут (кристаллография включает в себя получение изображений под углом 180 градусов, дифракционных картин и восстановление трехмерной структуры с помощью математики). На экспериментальной установке MX2 получение изображения под углом 180 градусов занимает всего 18 секунд. Так что если кто-то пытается протестировать ряд образцов, например с небольшими вариациями белка, то это займет всего несколько часов работы, хотя раньше это могло бы стать предметом целой кандидатской диссертации. Уникальные свойства синхротронного излучения позволяют проводить эксперименты, которые раньше были просто невозможны. Без синхротронов биологам потребовались бы годы, чтобы понять структуру SARS-CoV-2.

По всему миру на подобных объектах ученые объединили усилия ради одной цели: составить карты в атомном масштабе как можно большего числа белков, составляющих SARS-CoV-2. В более спокойные времена исследователи использовали подобные устройства для создания изображений и расшифровки структур многих ключевых биологических молекул, что привело к новым методам лечения СПИДа, рака кожи, диабета 2-го типа, лейкемии и сезонного гриппа, а также к прорывам в борьбе с вирусами Эбола, Зика и атипичной пневмонии. Вот почему около 50 источников синхротронного излучения по всему миру можно считать нашей передовой защитой от возникающих вирусных заболеваний.

К закрытию первого из этих специализированных синхротронов, Источника синхротронного излучения Дарсбери (SRS), в 2008 году на его базе было проведено около 11 000 научных исследований. Он помог с тысячами открытий, которые прямо или косвенно повлияли на нашу жизнь. Новые материалы для одежды и электроники, новые фармацевтические препараты и моющие средства – вот лишь некоторые из продуктов, появившихся в результате исследований на этом предприятии. Трудно представить, насколько далеко простирается использование такого объекта, однако точно известно, что его применяли 11 из топ-25 британских компаний, ранжированных по уровню расходов на НИОКР.

SRS использовали для определения структуры ящура, что привело к созданию новых вакцин, и для понимания такого явления, как