Меррифилд (Merrifield), Роберт Брюс

Американский биохимик Роберт Брюс Меррифилд родился в Форт-Уэрте (штат Техас). Он был единственным сыном в семье Лоурэн (Льюкас) Меррифилд и Джорджа Меррифилда. Через два года после его рождения семья Меррифилдов переехала в Калифорнию и в период Великой депрессии 30-х гг. продолжала часто переезжать с места на место, т.к. отец Меррифилда (продавец мебели) постоянно искал работу. Меррифилд однажды подсчитал, что он посещал около 40 школ, прежде чем его семья осела в Монтебелло (штат Калифорния). Здесь, учась в средней школе, будущий ученый заинтересовался химией. Здесь же он, занимаясь в школьном астрономическом клубе, сконструировал небольшой телескоп.

Окончив в 1938 г. среднюю школу, Меррифилд поступил в Джуниор-колледж в Пасадене, но в следующем году перешел в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, где начал изучать химию. Одновременно он подрабатывал в лаборатории Макса Данна, где в это время синтезировали дегидроксифенилаланин – аминокислоту, которая участвует в передаче нервных импульсов и применяется для лечения болезни Паркинсона. Получив в Калифорнийском университете в 1943 г. степень бакалавра, Меррифилд в течение года работал химиком в Научно-исследовательском фонде Филипа Р. Парка, а затем опять вернулся в университет. Стипендия от «Анхейзер-Буш инкорпорейшн» позволила ему продолжить учебу: Меррифилд поступил в аспирантуру. Позднее, работая ассистентом-исследователем в медицинской школе Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (1948 – 1949), Меррифилд изучал дрожжевые пурины и пиримидины и разработал систему биологического качественного анализа для проверки того, как они способствуют росту бактерий. (Пурины и пиримидины представляют собой циклические азотные органические основания, которые входят в состав биологически важных соединений – таких, как нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.) После того как в 1949 г. Меррифилду была присуждена докторская степень по химии, он был назначен ассистентом-биохимиком в Рокфеллеровский институт медицинских исследований (теперь это Рокфеллеровский университет) в Нью-Йорке. В этом институте ученый оставался до конца своей научной карьеры. Он стал здесь научным сотрудником (1953), потом адъюнкт-профессором (1958) и, наконец, полным профессором (1966).

В 1953 г. Меррифилд занялся химией белков. «Белки – это ключевые компоненты всех живых организмов, – объяснял он впоследствии. – Все ферменты, являющиеся катализаторами биологических реакций, и многие регулирующие их гормоны – белки. Если мы хотим понять и научиться контролировать то, что происходит в организме, мы должны прежде всего узнать состав, структуру и функции каждого отдельно взятого белка».

Белковая молекула представляет собой цепи аминокислот, связанных пептидными цепями. Стремясь понять структуру этих больших и очень сложных органических молекул, ученые пытаются синтезировать их из их химических компонентов. Два классических способа связывания аминокислот отражены в ступенчатой и фрагментационной моделях. Согласно ступенчатому методу (разработанному в начале XX в. Эмилем Фишером), аминокислоты по одной добавляются к растущей пептидной цепи. По фрагментационному методу, аминокислоты сначала связываются в короткие пептидные фрагменты, которые затем соединяются с образованием больших пептидов. При любом из этих двух методов на каждой ступени последовательного синтеза необходимо защищать (или укрывать) все химически активные группы в растущей пептидной молекуле, чтобы взаимодействовали только нужные участки. Более того, открытую или незащищенную группу тоже приходится активировать для того, чтобы смогла образоваться пептидная связь.

Последовательность защиты, активации, синтеза и удаления защищающей группы должна повторяться до тех пор, пока не образуется законченная пептидная молекула нужного состава. Побочные продукты каждой предыдущей реакции и реагенты (протекторы, депротекторы и активаторы), которые использовались на каждой стадии, нужно было вымывать, а полученный в результате пептид – очищать, прежде чем добавить следующую аминокислоту. Поскольку на каждой стадии неизбежно терялась небольшая часть нужного продукта, конечный пептид представлял собой лишь небольшую фракцию потенциально возможного. Несмотря на то что эти классические методы позволили Винсенту дю Виньо синтезировать окситоцин и вазопрессин, а Меррифилду – приготовить пептиды от 20 и 40 аминокислот в выбранной наудачу последовательности, эти методы были неэффективны, отнимали много времени и труда.

В 1959 г. Меррифилд записал в своем исследовательском блокноте: «Необходим быстрый, количественный, автоматизированный метод синтеза длинных пептидных цепей». Он исходил из того, что если первая аминокислота формируется нерастворимым носителем, то нежелательные побочные продукты и реагенты могут вымываться из реакционного сосуда после каждой стадии, а растущий пептид остается при этом незатронутым. Если это так, то конечный выход продукции значительно увеличился бы. А когда процесс синтеза завершится, конечный пептид может быть отделен от своего носителя и очищен обычными методами. При поддержке Дилуорта Вулли из Рокфеллеровского института Меррифилд посвятил следующие три года разработке более совершенного метода синтеза пептида.

Наиболее эффективным носителем для первой аминокислоты оказался полимер стирола и дивинилбензола. В 1962 г. Меррифилд сообщил, что в относительно короткий период времени новый метод, названный твердофазным пептидным синтезом, обеспечил большой выход искусственных пептидов – почти 100 процентов предсказанного количества. Применив этот метод, Меррифилд и его коллеги синтезировали нонапептидный (состоящий из 9 аминокислот) гормон брадикинин – сильнодействующее средство, вызывающее расширение сосудов. Следующая их задача заключалась в конструировании аппарата, способного автоматизировать пептидный синтез. Работая вместе с помощником Джоном Стюартом в подвале своего дома и при содействии Нилса Джернберга из мастерской по изготовлению аппаратуры при Рокфеллеровском институте, Меррифилд в 1965 г. создал первую работающую модель автоматизированного устройства для твердофазного пептидного синтеза. Это устройство представляло собой контейнер для аминокислот и реагентов – реакционный сосуд с автоматическими впускным и выпускным клапанами и программным механизмом, который регулировал последовательность процесса.

С помощью сконструированного аппарата Меррифилд и его коллеги синтезировали несколько пептидных гормонов, включая брадикинин, окситоцин и ангиотензин (октапептид, который регулирует артериальное давление). Они также получили белок инсулин (содержащий 51 аминокислоту в двух цепях) всего лишь за 20 дней, в то время как раньше этот процесс занимал несколько месяцев. Противники новой технологии жаловались, что полученные с ее помощью пептидные продукты не были чистыми. Признавая, что проблема чистоты существовала с самого начала их работы над исследованием пептидного синтеза, Меррифилд отдал предпочтение прагматическому подходу в «использовании лучших из доступных в настоящее время методов синтеза, изоляции и характеристики продуктов реакции». «Усовершенствования в методах разделения появляются постоянно, – говорил он. – И то, что сегодня кажется недостижимым, завтра может оказаться на удивление простым». Проблему очистки продукта реакции вскоре помогла решить разработка метода высокоэффективной жидкостной хроматографии.

В 1969 г. вместе с Берндом Гутте Меррифилд завершил первый успешный синтез встречающегося в природе фермента рибонуклеазы. Рибонуклеаза, последовательность чередования аминокислот в которой была установлена Станфордом Муром и Уильямом Х. Стайном в 1960 г., являлась предметом исследований в Рокфеллеровском институте уже более 30 лет. Метод Меррифилда предусматривал осуществление 369 химических реакций и 11 931 отдельной стадии, для чего требовалось несколько недель непрерывной работы твердофазного синтезатора.

Разработанная Меррифилдом технология твердофазного синтеза, которую ни он сам, ни Рокфеллеровский университет никогда не патентовали, широко применяется в других институтах и коммерческих лабораториях для получения пептидных гормонов, нейропептидов, токсинов, белковых факторов роста, антибиотиков, нуклеотидов и нуклеиновых кислот. Чаще всего эта технология используется при синтезе пептидов, содержащих до 50 аминокислот. Жена Меррифилда (в девичестве Элизабет Ферлонг), работающая в лаборатории ученого в Рокфеллеровском университете, применяет автоматизированную твердофазную технологию, исследуя возможность синтеза белка интерферона. Интерферон, содержащий 166 аминокислот, может служить ценным терапевтическим средством для лечения вирусных заболеваний и опухолей.

В 1985 г. Меррифилд был награждён Нобелевской премией по химии за предложенную им методологию химического синтеза на твердых матрицах. «Совершенно новый подход [Меррифилда] к органическому синтезу создал новые возможности в области пептидно-белковой химии и химии нуклеиновых кислот, – сказал Бендт Линдберг во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук. – Он в значительной мере стимулирует развитие биохимии, молекулярной биологии, медицины и фармакологии, а также имеет большое практическое значение для разработки новых лекарственных препаратов и для генной инженерии».

У супругов Меррифилдов, заключивших брак в 1948 г., шесть детей. Живут они в Кресскилле (штат Нью-Джерси).

Часть своего свободного времени ученый уделяет бойскаутскому движению. В 1968 г. Меррифилд был приглашенным нобелевским профессором в Упсальском университете в Швеции. С 1969 г. он работает заместителем главного редактора «Международного журнала по исследованию пептидов и протеинов («International Journal of Peptide and Protein Research»). В число большого количества наград, которых удостоен ученый, входят: премия Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования (1969), международная награда Гарднеровского фонда (1970), награда за творческую работу в области синтеза органических соединений (1972) и медаль Николса (1973) Американского химического общества. Меррифилд – член американской Национальной академии наук. Ему присвоены почетные степени университета Колорадо, а также Йельского и Упсальского университетов.