Удивительно стремление разума человеческого
к построению моделей и к совершенствованию оных,
пока они не станут всё ближе и ближе к реальности...
Людвиг Больцман
Поистине невероятно, как малó взаимное проникновение
науки XX века и искусства этого же века.
Чарльз Сноу. Две культуры

Историческая справка

Понятие об атомарной структуре материи восходит к античности — их приписывают философу Демокриту, рассуждавшему об организации всего сущего. Однако внимание научного мира заострилось на проблеме строения вещества уже в средние века, когда Иоганн Кеплер размышлял о проблемах симметрии снежинок и симметричной же упаковке сферических объектов (задаче, известной также как 18-я проблема Гильберта, которая получила решение лишь недавно [1]). В начале 19 века Джон Дальтон уже говорил об атомах как о реальных частицах разной массы и размера, а ближе к середине столетия австрийский учёный Йозеф Лошмидт изображал различные молекулы в виде набора соприкасающихся окружностей. Создание первой пространственной модели молекулы (это был метан) приписывается Августу Вильгельму Хофману, однако важнейшая концепция химической науки — стереохимия — была заложена Якобом Хендриком Вант-Гоффом, обратившим внимание на тетраэдрическое строение электронной оболочки атома углерода в метане. Развитие химии и рентгеновской кристаллографии привело к важнейшим открытиям в биологии XX века — установлению пространственной структуры молекул ДНК и белков, — и задача адекватного представления структуры биологических молекул, особенно сложных, встала весьма остро. Были разработаны «конструкторы» для сборки молекулярных моделей (некоторые из них до сих пор являются отраслевым стандартом), а одновременное развитие вычислительной техники и компьютерных дисплеев привело появлению программ, направленных на визуализацию и изучение биомолекул [2].

Несмотря на невиданный прогресс в области молекулярной графики, произошедший за последние 10–20 лет, «физические» модели молекул не утратили своей значимости. Эдгар Мейер, один из «персонажей» этого рассказа, хорошо подметил некоторую ущербность компьютерной графики: «Моё первое знакомство c биомолекулами научило меня благоговению перед Природой на молекулярном уровне. Компьютерная графика, хотя и привлекает своей цветной динамичностью, неспособна полностью передать всей трёхмерной прелести молекул».

Трёхмерное прототипирование

Первые модели структуры белков конструировали из большого числа шариков, проволочек, втулок, винтиков и других деталей [2]. Они были очень громоздки, хрупки и требовали огромного времени и усердия для изготовления, даже при условии использования специальных «конструкторов» — наборов стандартных деталей для сборки. В настоящее время компьютеры почти полностью заменили такие конструкторы, но ведь иметь возможность взглянуть на модель молекулы не только на компьютерном экране, но и «в реале» означает лучше понять её функцию и оценить красоту!

Одним из современных методов производства «твёрдых» моделей молекул (про «конструкторы» мы тут подробно говорить не будем, потому что про них уже достаточно было сказано ранее [2]) является трёхмерное прототипирование — способ изготовления объёмных макетов любых объектов, используемый, в частности, в промышленном дизайне. Изготовление моделей производится на автоматизированных установках (в том числе управляемых через интернет), входными данными для которых является CAD-файл или файл с координатами атомов белка в общепринятом формате pdb. Одна из компаний, предлагающих изготовить «твёрдую» модель белка — 3D Molecular Designs, — располагает целым арсеналом технологий прототипирования: стереолитография, избирательное спекание лазером, производство посредством ламинирования, моделирование путём последовательного наплавления и трёхмерная печать. Последняя технология аналогична обычной струйной печати с той лишь принципиальной разницей, что вместо чернил такой принтер использует специальные полимеризующиеся композиты вроде гипса или смолы, и печать объекта происходит слой за слоем, пока модель не будет готова. Трёхмерная печать лидирует среди других технологий прототипирования по скорости (хотя несколько проигрывает в качестве) и, кроме того, она единственная, которая позволяет печатать цветные объёкты (за счёт использования разноцветных «чернил»). Модели, полученные с помощью других технологий, необходимо после изготовления дополнительно красить, ведь специфическая окраска атомов очень важна для «макетов» молекул.

Учёные отмечают, что подобные модели чрезвычайно полезны в обучении, ведь если студент сможет в собственных руках подержать молекулу хемотрипсина, гемоглобина или рибосому, он немедленно, на интуитивном уровне, почувствует, как структура белка связана с его функцией — а ведь это один из самых важных аспектов молекулярной биологии!

Белковые кристаллы

Обычно под белковыми кристаллами подразумевают специальным образом приготовленные образцы белка, за счёт своей высокоупорядоченной структуры способные давать чёткую дифракционную картину при рентгеновском облучении (этот эффект используется для экспериментального исследования структуры белков (см., например, [3])). Однако есть и другие кристаллы — своеобразные миниатюрные произведения искусства на тему структуры белка, выполненные прямо в толще стеклянного блока.

Бэтшиба Гроссман (Bathsheba Grossman) работала то программистом, то машинисткой, то техническим писателем, по совместительству со своей главной страстью — скульптурой, основанной на законах симметрии, математике и науках о жизни. Несколько лет назад она столкнулась с технологией лазерной гравировки в массиве стекла, которая позволяет внутри геометрически идеального блока оптического кристалла создавать картины с помощью лазерного «выжигания» микродефектов. Конический луч иттрий-алюминий-гранатового лазера точно фокусируется на определённой точке внутри кристалла, и создаёт там микроскопический (~0,1 мм) дефект, видимый, как белая точка. (По некоторым данным, эту технологию разработали ещё в СССР.) Множество таких точек (до миллиона!), последовательно «расставляемых» в стеклянном блоке под управлением компьютера, создаёт видимость целостной картины (рис. 1).

Увлечение белкáми возникло после того, как один друг-биолог, увидев эксперименты Гроссман с лазерной гравировкой, попросил её сделать изображение белка. В результате она заинтересовалась визуализацией биомолекул и начала писать собственные программы для управления лучом лазера: ведь заставить «облако» точек выглядеть как структура белка — крайне непростая задача! Будучи сначала невинным увлечением, «стеклянная» скульптура переросла в бизнес — на принадлежащем Бэтшибе сайте crystalprotein.com идёт бойкая торговля различными белковыми молекулами, «запечатанными» в кристаллы, как древнее насекомое в янтарь.

Справедливости ради надо отметить, что белки — не единственный интерес Гроссман. Другие её скульптуры напоминают загадочные топологические клубки, и изготовляются они по технологии трёхмерной печати металлическим порошком. Одна из её скульптур — «Metatrino» — даже попала в популярный в Америке сериал про учёных — «Numb3rs» [4].

Молекула своими руками

Вдохновение, вызываемое биологическими молекулами у учёных, сподвигло их дерзнуть на большее, нежели создание абсолютно точных «физических» моделей — даже несмотря на свой завораживающий внешний вид, дотошно скопированные со структурных файлов модели остаются всего лишь моделями. Романтическая душа исследователей требовала большего, и некоторые из них начали создавать произведения искусства «по мотивам» структуры белков.

Байрон Рубин (Byron Rubin), исследователь-кристаллограф, в 1970-х сконструировал устройство, способное по заданной программе сгибать толстую медную проволоку, «упаковывая» её в пространстве аналогично белковой цепи [2]. Модели, созданные на «сгибателе», широко использовались в своё время, поскольку, хотя и показывали лишь укладку «остова» белковой молекулы, давали общее представление о структуре белка и были легки и портативны. Позже он дал своим идеям развиться и увлёкся молекулярной скульптурой, создавая модели молекул из лент нержавеющей стали (как, например, «скульптура» человеческого гормона роста, рис. 2) или такого мало подходящего на первый взгляд материала, как автомобильные выхлопные трубы.

Такие фармацевтические гиганты, как Merck и Pfizer, заказали у Рубина скульптуры значительных в истории этих компаний молекул — интерферона-β и ВИЧ-протеазы с ингибитором.

Был поленом, стал скульптурой

Эдгар Мейер (Edgar Meyer) — учёный с богатым прошлым, пионер компьютерной графики в биомолекулярных исследованиях, основатель Брукхейвенского депозитария пространственных структур белков (Protein Data Bank) [5] и кристаллограф, на счету которого десятки структур белковых молекул.

Со страниц своего сайта — http://molecular-sculpture.com — он заявляет: «Природа, изучаемая науками о жизни, наглядно демонстрирует нам разнообразие форм живого. Функции молекулярных систем, на которых основывается жизнь, находятся у нас перед глазами, но их структура ускользает от нас в глубины наномира. Однако строение молекул всё же можно увидеть с помощью кристаллографии, ЯМР-спектроскопии или криоэлектронной микроскопии. На моём сайте вы увидите, как атомы и молекулы могут быть воплощены в ценных породах дерева или в металле. Для человека, далёкого от науки, это может показаться эзотерической формой абстрактного искусства; даже для учёного, далёкого от молекулярных исследований, эти формы будут выглядеть крайне причудливыми и непонятными. Так или иначе, нам предстоит увидеть красоту, являемую самой природой».

Выйдя на пенсию, Мейер (видимо, в память о своём первопроходстве в области молекулярной визуализации) увлёкся изготовлением скульптур молекул, используя различные породы дерева — несколько сортов дуба, орех-пекан, клён, мескитовое дерево и другие, более редкие древесины. Для автоматизации процесса он использует контролируемый компьютером с его собственной программой фрезерный станок по дереву, который слой за слоем обрабатывает деревянные монолиты. В результате получаются такие скульптуры как антоцианин (рис. 3) или более сложные — например, сайт связывания аспирина в белке циклооксигеназе.

Музей неосязаемого

Мир молекул традиционно считается областью, доступной исключительно учёным в силу того, что его ультрамикроскопическая природа неподвластна чувственному восприятию. Подобно Платоновской «Республике», в которой жители аллегорической пещеры судят о реальном мире лишь по теням, отбрасываемым на стены своего обиталища, виртуальный музей «Неосязаемое» представляет собой коллекцию «теней», отбрасываемых из мира молекул на наше повседневное существование.

Кеннет Эвард (Kenneth Eward), смотритель этой галереи, неожиданно увлёкся искусством в процессе научных исследований в области физиологии клетки, и после окончания университета он открыл в Манхеттене свой арт-салон BioGrafx, посвящённый научным достижениям. Виртуальная коллекция Эварда состоит из скульптур молекул и «молекулярных ландшафтов», выполненных в «пустынной» эстетической манере, характерной для фотографов начала XX века. «Законы физики не обязательно действуют в виртуальном мире, что делает возможным творчество, освобождённое от естественных ограничений», — пишет он о своих инсталляциях.

Одна из скульптур в виртуальной VRML-галерее — зелёный флуоресцентный белок (рис. 4) — немного вибрирует, слегка сжимается и расширяется, одновременно говоря зрителю о динамической природе белковых молекул и напоминая медузу — организм, из которого был выделен этот важнейший для современной молекулярной биологии и биоинженерии объект.

α-спираль для Полинга

Эстетический заряд, содержащийся в изображениях и скульптурах молекул, оказался настолько значительным, что в некоторых колледжах изящных искусств уже защищают диссертации по этой теме. Вот что пишет Джулиан Восс-Андре (Julian Voss-Andreae) в аннотации к своей работе под названием «Скульптуры белков»: «Я представляю новый взгляд на основу всего живого, создавая скульптуры белковых молекул. Более важным, чем буквальное копирование молекулы со всей возможной подробностью, мне представляется найти базовый принцип существования этой молекулы и выявить в нём художественное начало. В основе моего метода изготовления скульптур лежит аналогия между угловым соединением конструкционных элементов и сворачиванием белка. Я ощущаю, что нахожусь ближе к истине, когда использую алгоритмы, применяемые самой природой, нежели когда я просто копирую внешний вид молекулы. Мою работу можно назвать алгоритмичной, поскольку я рассчитываю необходимые для построения скульптуры разрезы из данных о структуре белка, используя собственную компьютерную программу. Однако кроме детерминистической стороны, в моей работе присутствует равная ей по величине иррациональность, которая превращает научные модели в объекты искусства. Мои скульптуры дают почувствовать субмикроскопический мир, обычно постижимый только с помощью интеллекта».

Белки увлекли Джулиана, когда он был ещё студентом-физиком; после того, как он перешёл на факультет искусств, они стали основным его источником вдохновения. Изучая трёхмерный дизайн, он решил выбрать их как центральный объект для своих работ. Его методика заключается в том, чтобы, разрезая погонный материал (такой как металлические балки или древесину) практически без отходов, соединять его заново, создавая уникальные формы, навеянные структурами белковых молекул. Именно безотходность делает его методику близкой к феномену сворачивания белка, считает Джулиан. Написанная им самим компьютерная программа позволяет рассчитать геометрические параметры разрезов, которые необходимо сделать в исходном материале, чтобы, будучи собранным заново, бездушный материал преобразился в уникальное произведение искусства. Так, например, один из его экспонатов — «Высокая еловая α-спираль» — создан из цельного девятиметрового ствола дугласовой пихты. Небольшие ошибки, накапливающиеся от разреза к разрезу, а также органическая природа строительного материала приводят к тому, что вместо безжизненной геометрической формы получается единственная в своём роде скульптура (рис. 5). Сам Джулиан считает, что некоторая непредсказуемость результата в данном случае — один из краеугольных камней его творчества.

Несколько лет назад Восс-Андре представилась уникальная возможность сконструировать мемориал одному из самых известных химиков мира — Лайнусу Полингу, единственному человеку на свете, дважды единолично награждённому Нобелевской премией [6]. Джулиану предложили соорудить памятный постамент возле домика в Портланде (штат Орегон США), где Лайнус провёл детство (сейчас там Центр науки, мира и здравоохранения имени Полинга). Для скульптуры была использована массивная шестиметровая стальная балка, которая после серии из 15 разрезов плазменной горелкой и сварочных работ преобразовалась... в трёхметровую α-спираль, посвящённую памяти великого учёного и миротворца (рис. 6).

«Всё, что претендует на то, чтобы быть искусством, является им», — гласит одно из расхожих определений. Однако Джулиан, недаром скрупулезно изучавший искусства, не останавливается на этом тезисе. По его убеждению, художник обязательно должен преображать объект, с которым он работает, привнося в него что-то новое, чего там раньше не было. Богатый набор взаимосвязанных ассоциаций и интерпретаций, — вот что отличает подлинное искусство от бездушной модели. Конструктивизм, составляющий «физическую» основу творчества Восс-Андре, не является главной его частью, так же как и отрисовка реалистического изображения не является сутью шедевров художника-голландца Яна Вермеера, пользовавшегося в работе камерой обскурой.

В скульптуре «Светособирающий комплекс» (рис. 7) Джулиан провёл необычный эксперимент со светом. Скульптура состоит из 850 частей — так много субъединиц содержится в этой «молекулярной линзе», акцептирующей кванты света в зелёных растениях и передающей их на фотосистемы, вырабатывающие питательные вещества для растения и кислород для всей планеты. По замыслу скульптора, этот экспонат демонстрируется в небольшой затемнённой комнате, а в центре его должна стоять свеча. Свет, струящийся при этом через промежутки между отдельными «молекулами», напоминает нам о роли растений на Земле, а отбрасываемые на стены пляшущие тени и сами напоминают растительные заросли...

Белковый вальс

Молекулярные комплексы вдохновляют на созидание не только отдельно взятых скульптур, но и целых инсталляций, сочетающих ландшафтный дизайн, технологию и скульптуру. Творчество Мары Хэйзелтайн (Mara Haseltine) довольно масштабно: одно из её творений — тридцатиметровая скульптурная группа «Белковый вальс» (Waltz of Polypeptides), расположенная в кампусе научного института Колд Спринг Харбор , — изображает один из фундаментальных процессов живой клетки — синтез белка (рис. 8). В этой скульптуре, несколько рибосом (микроскопических клеточных органелл, осуществляющих синтез белка) «нанизаны» на нить матричной молекулы РНК, в которой закодирована белковая последовательность синтезируемого полипептида — BLyS, аббревиатура которого созвучна со словом «блаженство» на языке оригинала. Протяжённая скульптура раскинулась по зелёной лужайке около здания института.

Джеймс Уотсон (первооткрыватель структуры ДНК и нобелевский лауреат) занимал в этом институте пост заведующего лабораторией, пока его неосторожное высказывание не было интерпретировано охочими до сенсаций журналистами как расистское. После этого Уотсона отстранили от руководства [7].

Отец Мары — Уильям Хэйзелтайн — известный учёный и бизнесмен, организовавший семь биотехнологических компаний, среди которых — Human Genome Sciences, занимающаяся геномными исследованиями, направленными на борьбу с неизлечимыми заболеваниями, такими как многие формы рака или СПИД. «[На этой скульптурной композиции BLyS] растёт из микроскопического зародыша в полноразмерную молекулу, — комментирует он творение своей дочери. — В науке форма определяет функцию. Знание структуры чрезвычайно важно, чтобы понять, как что-то работает. В работах Мары эта форма показана. Она прекрасна в своей динамичной изменчивости». Сама же Мара признаётся, что её отец и другие учёные всегда были для неё неистощимым источником вдохновения. «Эта скульптура посвящена моему папе и огромной работе, которую он проделал», — говорит скульптор.

В 2006 году в Сингапуре открылась бронзовая скульптура «Ингибированный SARS», выполненная Марой Хэйзелтайн по специальному приглашению руководства биотехнологического консорциума Biopolis, на территории которого располагается скульптура. Во время эпидемии тяжелого острого респираторного синдрома (или, как его чаще называют, атипичной пневмонии) 2003 года сингапурские учёные из этого консорциума провели тщательное геномное исследование коронавируса TOPC, вызывающего заболевание, и определили пространственную структуру протеазы, ответственной за проникновение вируса в клетку. Эта скульптура (рис. 9) стала памятником труду учёных, благодаря которому удалось спасти множество человеческих жизней.

«Нам невероятно повезло, что мы наделены сознанием, позволяющим наслаждаться красотой нашей планеты и, благодаря современным технологиям, заглядывать одновременно в микроскопический мир, находящийся в каждой клетке нашего существования, и в необъятные глубины космоса. Именно это явление я и пытаюсь раскрыть в своих работах», — поясняет своё творческое амплуа Хэйзелтайн.

Первоначально статья «Изваяние невидимого» была опубликована в «Компьютерре» [8].

Литература

1. Пирамидальный хаос. (2007). «Компьютерра». 692;
2. На заре молекулярной графики;
3. Новый рубеж: получена пространственная структура β2-адренорецептора;
4. Бёрд К. (2007). «4исла» со смыслом. «Компьютерра». 684;
5. Edgar E Meyer. (1997). The first years of the Protein Data Bank. Protein Sci.. 6, 1591-1597;
6. Зоркий П.М. (2001). Лайнус Полинг — величайший химик XX столетия. МГУ;
7. Джеймс Уотсон лишился лаборатории из-за своих недавних заявлений;
8. Чугунов А.О. (2007). Изваяние невидимого. «Компьютерра». 712, 24–26.