Говорят, что химия правит миром. Так оно, собственно, и есть (она, правда, по вине людей и травит мир). В основе всего сущего лежат химические реакции, а следовательно, во всех этих реакциях должны быть и свои субстраты, и свои катализаторы. Разумеется, истина эта кажется простой и понятной лишь с высот достижений сегодняшнего дня. Даже интимные биологические процессы, в том числе наследственность, рассматриваются в наше время через «призму» химии. А о ДНК как химической основе наследственности знают сегодня даже школьники. А некоторые вундеркинды даже легко бросаются такими терминами, как «конвариантная редупликация ДНК».
Но так, увы, было не всегда. Каких-то 50 лет назад абсолютное большинство ученых связывало наследственность с белками, а не с нуклеиновыми кислотами. Природа же, как видим, отдала предпочтение более простому веществу, «закодировав» в нем наследственность, а значит, и бессмертную эстафету поколений. Ну что ж, недаром говорят, что все гениальное просто. Но как, собственно, была открыта и рассекречена дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК)?
История ее исследования заслуживает всеобщего внимания. В нем переплетались интересы биологов, химиков, физиков, медиков, генетиков. Как в зеркале, сейчас видны сложные процессы познания живой молекулы и удивительные нагромождения событий, приведших в конце концов к установлению структуры и функции ДНК.
Шестидесятые годы прошлого столетия оказались, например, чрезвычайно богатыми на такие «переплетения» и события. Именно в это время Г. Мендель делает свое гениальное открытие, а Ф. Гальтон предлагает близнецовый метод для изучения наследственности человека, В. М. Флоринский пишет книгу «Усовершенствование и вырождение рода человеческого»; Ф. Мишер, 25-летний сын врача из Тюбингена, изучая химию белых кровяных клеток, открывает неизвестное прежде органическое соединение, именуемое сегодня во всем мире дезоксирибонуклеиновой кислотой. Правда, сам Ф. Мишер назвал выделенное вещество нуклеином, потому что выделил его из материала, собранного с послеоперационных повязок, то есть, по сути дела, из лейкоцитарной массы, богатой ядрами.
История расшифровки химических основ наследственности ведет нас в разные страны и к разным специалистам. Так, в России в последнем десятилетии XIX века химик А. А. Колли сформулировал представление о химических основах передачи наследственных признаков, сопоставив размеры сперматозоида, содержащего всю генетическую информацию, с белковыми молекулами. По достоинству оценить данную работу можно, пожалуй, лишь в наши дни. А в 20–30-е годы творческую силу подобного рода предположений могли понять лишь такие гиганты, как наш соотечественник Николай Константинович Кольцов.
Кстати, следующим звеном в изучении химических основ наследственности была гипотеза самого Н. Н. Кольцова о наследственных молекулах. Уже в 20-х годах ученый теоретически обосновывает принцип редупликации (удвоения) наследственных молекул как материальной основы воспроизведения наследственности в поколениях.
Несмотря на то, что в 20–30-х годах экспериментальная генетика проделала большой путь, а ее достижения стали уже частично реализовываться в практике, представления о химической основе генов были самые неопределенные. Более того, именно в эти времена фундаментальную генетику называли не иначе, как формальной, поскольку она оперировала абстрактным понятием «ген», хотя и наполненным конкретным содержанием о закономерностях поведения этих, пока что гипотетических, единиц.
Прогресс в науке ни на секунду не останавливается. И коль скоро в 20-х годах ген стал объектом номер один в биологии, то «долбить» этот крепкий орешек стали с разных сторон.
Что же старались понять генетики в первую очередь? Они хотели выяснить, как сочетаются в гене его три свойства: способность мутировать (изменяться), способность к рекомбинации и способность выполнять определенную функцию. Больше всего их интересовало, всегда ли эти три свойства существуют в гене вместе или они могут комбинироваться по-разному. Другими словами, они искали ответ на вопрос: дробим ли ген? Ведь длительное время он считался «монолитом» природы.
Впервые на его целостность посягнули в 1927 году советские ученые во главе с выдающимся генетиком Александром Сергеевичем Серебровским. В изящных экспериментах на плодовой мушке дрозофиле исследователи показали, что ген, отвечающий за развитие у насекомого щетинок, может изменяться частями. А через 20 с лишним лет этот факт частичного изменения гена, а не в целом, был подтвержден многократно. К этому времени уже не дрозофила, а микробы были излюбленными объектами экспериментальной генетики. И всякие попытки проникновения в структуру и функцию генов замыкались уже на анализ химических основ наследственности. Такая потребность приближала период решительного наступления на химическую природу гена.
Принципиальным звеном в разработке этого направления считаются работы английских ученых Ф. Гриффита и О. Эвери по превращению микробов-пневмококков (вызывают воспаление легких) из невирулентных, в вирулентные (от лат. «вирулентный» — ядовитый; вирулентность — степень болезнетворности микроорганизма). Эти два типа микроорганизмов хорошо различаются по внешнему виду. Невирулентные штаммы пневмококков образуют шероховатые колонии на чашках с агаром, а вирулентные — гладкие.
Ф. Гриффит, нагревая сосуд с микробами, тем самым убивал вирулентные бактерии. Затем он вводил их мышам, которые оставались живыми. Прогретые микробы теряли способность убивать мышей. Однако стоило «смешать» эти убитые нагреванием бактерии с живыми невирулентными, как введение их в организм мышей оказывалось смертельным. Тщательно исследовав бактерии, извлеченные из погибших мышей, Ф. Гриффит обнаружил, что они имеют внешний вид вирулентных бактерий, (гладкий), хотя вводил он живые невирулентные бактерии, дающие шероховатые колонии. А это могло означать единственное: живые невирулентные бактерии трансформировались в вирулентные.
О. Эвери повторил весь путь возможной трансформации бактерий не в организме мышей, а в пробирке. Ему удалось четко доказать, что трансформация осуществляется через ДНК.
Работа О. Эвери (вместе с Мак-Карти и Мак-Леодом) была опубликована в 1944 году. Нельзя сказать, что тогда она была воспринята генетиками как доказательное обоснование химических основ наследственности через ДНК. Да, большинство открытий воспринимается не сразу. Но сегодня, несомненно, работу О. Эвери с соавторами рассматривают в качестве одного из серьезных рычагов, с помощью которых генетику поворачивали на молекулярные рельсы.
Интересно отметить, что ученых, о работах которых я вам только что рассказал, казалось бы, не связывали никакие общие интересы. Фред Гриффит работал в министерстве здравоохранения в Лондоне, его научные интересы относились к области развития методов классификации патогенов (организмов, вызывающих болезни). Что же касается Освальда Эвери, то он трудился в лаборатории одного из лучших в тот период специалистов по ДНК, химика П. Левена, глубоко и серьезно изучавшего ее химическую структуру. И все же разные дороги привели этих разных специалистов к одной цели.
Концепция химических основ наследственности в виде ДНК, несмотря на убедительные опыты Ф. Гриффита и О. Эвери, была принята генетиками не сразу. Разберем следующий факт.
На печально знаменитой для нашей генетики августовской сессии ВАСХНИЛ (1948 г.), разгромившей советскую биологию, крупнейший советский ученый И. А. Рапопорт в своем смелом выступлении, призывая к материалистическому пониманию гена, все еще говорил о его белковой природе. А ведь И. А. Рапопорт всегда был и остается образованнейшим генетиком. Такое «упорствование» ни в коей мере нельзя рассматривать как его заблуждение. Речь может идти лишь о том, что пора восприятия открытий Ф. Гриффита и О. Эвери еще не пришла.
Не пришла, вероятно, для биологов. Дело в том, что химики стали уделять ДНК все больше и больше внимания. Вообще-то, эти работы велись с 1890 года. Четыре основания ДНК: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т) разделяются на две группы. К пуриновым основаниям относят А и Г, к пиримидиновым Т и Ц. Большинство ученых продолжали считать ДНК просто монотонной, или однообразной, ниточкой бус из четырех оснований. К тому же длительное время «подтверждалось» ошибочное представление, что в ДНК содержится равное количество всех четырех оснований. Для химиков подобного ряда молекулы «примитивны» из-за их однообразия, и они теряют к ним исследовательский интерес.
Теряют, но не все. Сообщество ученых очень уж разнообразное, и не узнаешь, кто когда куда пойдет. Цели при этом у всех разные, а мотивация одна — узнать, что там все-таки?
Тому, что работы по расшифровке тайны ДНК не прекратились, мы обязаны… химику — ученому, решившему проверить, верны ли бытовавшие в то время представления о химическом строении ДНК.
Имя этого ученого Эрвин Чаргафф. Занимался он вместе со своими коллегами изучением химической природы трансформации пневмококков. Тех самых шаровидных бактерий, вызывающих у человека пневмонию, с которыми работали Ф. Гриффит и О. Эвери. Именно он первым в мире подобрал к ДНК «ключ», воспользовавшись высокоразрешающим химическим методом очистки и техникой разделения всех четырех оснований, каждый раз количественно сопоставляя полученные таким образом молекулы. Но для этого ученый должен был получить каждое вещество в отдельности. Насколько это была трудная работа, можно судить хотя бы по тому, что вещества выделялись в ничтожно малых количествах, как сказали бы в наши дни — в наннограммах.
И все-таки Э. Чаргафф справился с ней. А завершив экспериментальную часть, смог сформулировать правило (его так и называют правилом Чаргаффа), остающееся и сегодня незыблемым: количество аденина и гуанина в основании ДНК равно количеству цитозина и тимина, а количество аденина всегда равно количеству тимина и, соответственно, количество гуанина — количеству цитозина.
Правда, в наши дни правило Чаргаффа более склонны называть простым химическим выводом, позволяющим ученым ставить все новые и новые вопросы, но все же не объясняющим механизмы наследственности. Да, это в наши дни. А как обстояли дела к началу 50-х годов?
К тому времени роль ДНК как наследственного вещества уже не вызывала никаких сомнений. Благодаря аналитической работе в ДНК «отпрепарировали» все ее части до тонкостей. Несмотря на это, синтетического объяснения передачи наследственной информации через ДНК все еще не существовало.
А значит, снова требовался неординарный взгляд на проблему и какие-то новые методы, обладающие более широкими или глубокими возможностями. И они были найдены. Принципиально новым подходом явилось изучение структуры целых молекул, а не разрушенных химическим путем, как это было прежде.
В святая святых живой молекулы удалось проникнуть с помощью рентгеновских лучей, наблюдая их дифракцию. Это они делают видимой структуру макромолекул. Такая методика была разработана в знаменитой Кавендишской лаборатории Лоуренсом Брегом. А применение ее в изучении белков (биологических макромолекул) связано с именем Макса Перутца, работавшего в той же лаборатории.
Можно лишь удивляться изобретательности творческой мысли ученых, открывших столь уникальный метод изучения структуры молекул. Суть его в следующем: тонкий пучок рентгеновских лучей пропускается через кристалл изучаемого вещества. Лучи взаимодействуют с атомами кристалла, а малейшее отклонение пути их движения при соприкосновении с атомами регистрируется на фотопленке. Анализируя изменение этих отклонений, можно составить представление о структуре молекулы.
Так наука приблизилась к окончательной расшифровке химических основ наследственности. Этот научный подвиг ассоциируется сразу с несколькими именами, известными теперь уже каждому образованному человеку. Но тогда, в 1951 году, молодых ученых еще никто не знал. И прибытие в Кавендишскую лабораторию (Кембридж) Джеймса Уотсона не было отмечено никакими торжественными событиями. До того в университете в Чикаго, где он учился, Дж. Уотсон изучал у Сальвадора Лурье генетику фагов.
К этому времени лондонский кристаллограф Морис Уилкинс уже сделал фотографию ДНК с помощью дифракции рентгеновских лучей, четко показал наличие в ней регулярной геометрической структуры. Эта регулярность структуры связывалась им с возможным строением генов. М. Уилкинс вместе с Розалин Франклин создали своими работами предпосылки для понимания характера «упаковки» составных частей молекулы ДНК. Создали предпосылки, но не довели дело до расшифровки.
Прибыв в Кембридж в группу Макса Перутца, Дж. Уотсон окунулся в труднейшую проблему — изучение кристаллографии белков. Но ученым иногда везет, и, скажем так, ему повезло крупно. В ту пору там работал 35-летний Френсис Крик — физик по образованию и опыту работы, связавший свои научные интересы с методом дифракции рентгеновских лучей. Хотя Ф. Крик был молод, он отнюдь не был новичком в науке. Правда, его предыдущие работы (во время второй мировой войны Ф. Крик служил на флоте и занимался магнитными минами) были далеки от изучения ДНК. После войны, присоединившись к кавендишской группе, он изучал дифракцию рентгеновских лучей. Таким образом, в 1949 году в лаборатории собрались люди с громадным творческим потенциалом, интересы которых объединились вокруг изучения структуры ДНК. Но вряд ли этот замечательный коллектив смог бы сделать такое эпохальное открытие, если бы к тому времени уже не была установлена спиральность структур белковых макромолекул. Эта честь принадлежит Лайнусу Полингу, выдающемуся американскому ученому, дважды лауреату Нобелевской премии, Международной Ленинской премии «За укрепление мира между народами». Изучая структуру белковых молекул, он, известный химик, работавший в Калифорнийском технологическом институте (США), обнаружил, что белковые цепочки складываются в виде спирали.
Позволю себе здесь отвлечься от рассказа о ДНК и поделиться с читателями собственными впечатлениями о Л. Полинге. В конце 50-х годов он приехал в Москву и читал лекцию в Политехническом музее, на которую попал и я, тогда аспирант. Ученый рассказывал о наследственных болезнях, к тому же говорил он на «языке» не только генетических, но и химических терминов. Главное внимание в лекции Л. Полинг уделил наследственному заболеванию крови, часто встречающемуся у негров США, так называемой серповидноклеточной анемии. Заболевание это было уже хорошо изучено клиницистами, генетиками, биохимиками. Больше того, уже была расшифрована структура аномального гемоглобина, вызывающего анемию. Болезнь эта развивается у лиц, унаследовавших от обоих родителей рецессивный ген. Как теперь мы знаем, замена всего лишь одной аминокислоты из почти трехсот, входящих в состав молекулы, приводит к резкому изменению функции гемоглобина. Именно на этом примере было доказано, что ген действительно определяет структуру белка.
Прозорливы были И. Ильф и Е. Петров, сказав устами персонажа «Пьер и Константин», охотно, впрочем, отзывавшегося на имя Андрей Иванович: «Теперь вся сила в гемоглобине».
Скажу честно: многое из того, что говорил Л. Полинг, мне было непонятно. Да иначе и быть не могло, ведь теоретический фундамент моего московского медицинского образования в тот период покоился на концепциях Т. Д. Лысенко, О. Б. Лепешинской и им подобных «лидеров» нашей отечественной биологической науки. И хотя на последних курсах института и особенно в аспирантуре я освободился от многих невежественных представлений, главным образом благодаря контактам с образованнейшими биологами и патологами — моими учителями М. А. Воронцовой, Л. Д. Лиознером, Л. Я. Бляхером, Д. А. Лозинским, отсутствие систематических генетических знаний в тот период не могло не сказаться. Л. Полинг открывал для меня новый, загадочный и прекрасный мир.
Четкость изложения материала, умение просто общаться с широкой аудиторией, а главное — доносить основной смысл лекции до слушателя буквально поразили меня. Тем более что ученый говорил о молекулярной природе болезней. Молекулярной! Такого советская медицина тогда не знала.
Сейчас трудно поверить, но спустя некоторое время лекция Л. Полинга стала объектом методологического семинара в институте, где я учился в аспирантуре. Последователи Т. Д. Лысенко и О. Б. Лепешинской с завидной энергией громили концепцию Л. Полинга о молекулярных болезнях человека. Самым главным аргументом этих «рыцарей» науки служило утверждение, что болезни — это свойство организма, а не молекулы. И по этой причине молекулярных болезней просто не может быть.
Что же касается меня лично, то могу сказать: семена истинно биологического образования, посеянные в моем сознании учителями, нашли в лекции Л. Полинга благодатную почву и проросли со временем интересом к генетике. Я и поныне помню блестящую лекторскую манеру ученого, удивительную стройность и ясность изложения материала. Через много лет я встретился с Полингом на международном конгрессе и убедился, что обаятельность этого человека не уменьшилась, а даже возросла.
События, развертывавшиеся вокруг ДНК, участниками которой оказались многие выдающиеся ученые — Уилкинс, Франклин, Крик, Уотсон, Чаргафф, Кендрю, — хорошо описаны в книге «Двойная спираль». Так что вряд ли нужно пересказывать все возникавшие при этом перипетии. Лучше всего прочитать книгу. Но я хотел бы сказать о том, чего в книге нет.
Давшая начало новому научному направлению (молекулярной биологии), статья Дж. Уотсона и Ф. Крика о модели ДНК содержала всего… 900 слов. Она заняла менее одной страницы в журнале «Нейчур» вместе с библиографией. Полное название статьи — «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» с подзаголовком «Структура дезоксирибонуклеиновой кислоты». Опубликована статья 25 апреля 1953 года. 900 слов — и целая эпоха в науке!
Лауреат Нобелевской премии Питер Медавар очень образно охарактеризовал красоту работы Уотсона и Крика в его рецензии на книгу Уотсона «Двойная спираль»: «Выдающейся особенностью этого открытия была его полнота, его окончательность. Если бы мы видели, как Уотсон и Крик бьются в поисках ответа, если бы они опубликовали отчасти правильное решение и потом дополняли бы его исправлениями и новыми толкованиями, частично принадлежавшими другим ученым, если бы решение появлялось по кусочкам, а не в сиянии прозрения — это все равно был бы великий эпизод в истории биологии, но эпизод более обычный: нечто сделанное великолепно, но не в столь романтической манере…»
Итак, Дж. Уотсон и Ф. Крик умственно сконструировали трехмерную структуру скрученной двухнитевой молекулы ДНК. Они доказали рентгеноструктурным анализом правильность своей модели. Это позволило им предполагать уже и механизм ее репликации. Но ведь именно этот принцип закладывал в свою гипотезу о наследственных молекулах Н. К. Кольцов еще в 1927 году! Есть пророки в нашем Отечестве! Но беда была в том, что эта мысль была высказана раньше, чем могла быть экспериментально обоснована.
Чтобы понять точное воспроизведение наследственности из поколения в поколение, надо было расшифровать механизм точного удвоения (репликации) ДНК. Ведь наследственность копируется без ошибок (кроме редких мутаций). Надежность точного воспроизведения молекулы молекулой давала модель Уотсона и Крика. Если нити ДНК разъединить (расплести), то на каждой из них может синтезироваться зеркальная копия, в которой аденин соединяется с тимином водородными связями, а гуанин с цитозином также водородными связями. А это и создает две точные копии одной исходной молекулы. Казалось бы, вопрос решен, но изучение ДНК на этом не закончилось.
Чтобы произошла репликация (удвоение молекулы), двойная спираль ДНК должна раскрутиться (нити разойтись), образуется репликационная вилка. Вдоль каждой из нитей ДНК будет «работать» фермент (его назвали ДНК-полимераза), с помощью которого к нитям ДНК будут присоединяться новые основания ДНК, чтобы образовались две двухнитевые молекулы ДНК. И здесь необходимо упомянуть об американском ученом Артуре Корнберге, пионере изучения ферментов репликации ДНК.
Репликация — чрезвычайно сложный процесс, но именно она гарантирует точность передачи генетической информации. Точность эта обусловливается ферментами, осуществляющими репликацию. Ведь фермент всегда катализирует строго направленную реакцию.
Когда в научном зарубежном мире (50-е годы) широко обсуждались потрясающие открытия химических основ наследственности, ученые нашей страны (и что особенно важно — молодежь) должны были исповедовать невежественные построения Лысенко — Лепешинской. Однако в отдельных научных обществах или институтах публично обсуждалась истинная информация о достижениях генетики. В Москве это происходило на заседаниях Московского общества испытателей природы. Президент этого общества, выдающийся ботаник академик В. Н. Сукачев взял на себя лично ответственность за проведение вечерних лекций по генетике. Лекции о физико-химических основах наследственности, о строении хромосом читали нам Н. П. Дубинин, А. А. Прокофьева-Бельговская и другие замечательные отечественные генетики. В ту пору нам казалось, что рассекречивание химической структуры гена сняло все возражения против формальной генетики. И уж теперь-то препоны для ее развития сняты.
В самом деле, для каждого начинающего познавать генетику выстраивалась стройная картина представлений о материальных основах наследственности.
Клетка — основа всего живого. В этой маленькой системе все приспособлено для саморегуляции и самовоспроизведения. Жизнь любого существа начинается со слияния двух клеток. Они делятся в строго определенное время, в строго определенном месте, передавая наследственную информацию.
Клетка — высокоспециализированная система. Ее цитоплазма производит биологически активные вещества (белки, ферменты, гормоны). Ядро содержит наследственный материал — хромосомы. Хранит их, а главное — обеспечивает функцию и репродукцию.
Хромосомы — носители наследственной информации. В них расположены гены в строго определенном порядке. До предела точное воспроизведение хромосом при размножении клеток обеспечивает передачу генов от поколения к поколению в полном соответствии с законами Менделя.
Хромосомы построены из нуклеиновых кислот и белка. Расшифровка трехмерной структуры ДНК Дж. Уотсоном и Ф. Криком сняла все неясности в понимании точного удвоения генетического материала.
Казалось бы, все стало ясным: и материальная основа генов известна, и принцип точного воспроизведения их выяснен. Но это только казалось после первого усвоения азбуки наследственности. Откровенно говоря, я был очень удивлен, когда один из моих товарищей, весьма образованный человек, сказал как-то, что все это (имелась в виду ДНК) еще пока механистическая модель наследственности (сам он был не генетик, но, очевидно, понимал ее хорошо).
Разумеется, я горячо возразил ему, доказывая, что представление о ДНК как носителе наследственной информации отвергло все возражения о механистической интерпретации законов наследственности. Вроде бы я был прав. Однако его логика оказалась сильнее, а главное, достоверней моих собственных эмоциональных рассуждений.
Действительно, знание химических основ наследственности углубило наши представления о механизмах передачи генов от поколения к поколению. Но ведь явление наследственности — это не только передача наследственной информации, но и ее реализация в признак. Открытие ДНК и расшифровка ее структуры еще не давали убедительных объяснений ее функциям или механизмам реализации генетической информации. Помню, мой товарищ в качестве возражений моим доводам в пользу полной ясности в генетике настойчиво говорил: «Ну, хорошо… Химическая природа гена раскрыта. Но что изменилось от этого в понимании наследственности? Что меняется, если гипотетическое, хотя и вполне материалистическое представление о генах, ранее называвшихся наследственными факторами, заменено понятием ДНК? Ну, предположим, ген — это ДНК, — спрашивал он меня, — а дальше-то что?»
Увы, ничего вразумительного на его вопросы я ответить не мог. Ибо воображение уже себя исчерпало, а стройных обобщений о генетических механизмах синтеза белков тогда еще не существовало. Они появятся позже, после того, как биохимики добудут в своих лабораториях новую информацию.
Вообще-то, процесс познания закономерностей природы не такой уж линейный и последовательный, как это хотелось бы изложить в книге. Вопрос, на котором мы остановились выше, можно сформулировать следующим образом: как функционирует ген?
Представьте себе, что вопрос этот не раз подвергался анализу с самого зарождения генетики как науки. Так и хочется сказать, что новое — это не что иное, как хорошо забытое старое.
В 1902–1908 годах английский врач Арчибальд Гаррод изучал одну из наследственных болезней человека, так называемую алкаптонурию. Диагностирование этой болезни не представляет труда, поскольку моча больного человека со временем темнеет. Клинические же проявления болезни начинаются в сорокалетнем возрасте, а иногда и старше. А выражаются они в поражении органов, богатых соединительной тканью (суставы, позвоночник, клапаны сердца).
А. Гаррод, наблюдавший больных алкаптонурией, высказал мнение, что это заболевание наследуется по законам Менделя (с которыми врач был знаком) и обусловлено нарушением какой-то ступени обмена веществ. «Повинен» в этом фермент. На основании обследования больных и логических рассуждений он сформулировал понятие о «врожденных ошибках обмена веществ».
Алкаптонурия — это действительно нарушение обмена аминокислоты тирозина, вызванного отсутствием соответствующего фермента. А фермент не вырабатывается в результате изменения гена. А. Гаррод не был одинок в своих наблюдениях: примеры влияния наследственности на биохимические процессы накапливались на протяжении трех десятилетий, но они не подвергались до поры до времени обобщению. Работу эту завершали американские ученые Джордж Бидл и Эдуард Татум. Они доказали, что ген отвечает за синтез фермента, и выразили сформулированное ими положение в образной краткой форме — «один ген — один фермент». Этот этап в понимании функции гена был ключевым в дальнейшем развитии генетики. За его разработку Дж. Бидл и Э. Татум были удостоены Нобелевской премии.
Интересно с современных позиций взглянуть на ход самого процесса открытия взаимосвязи между функцией гена и синтезом фермента. Чтобы понять этот процесс, была сформулирована рабочая идея, и Дж. Бидл приступил к изучению биосинтеза ферментов. Он взял в эксперименты несколько мутантных линий дрозофилы. Линии мух отличались друг от друга тем, что ген, отвечающий за синтез фермента, начинал свое действие у разных линий в разные периоды развития дрозофилы. Следовательно, экспериментатор (в данном случае Дж. Бидл) как бы прослеживал поэтапно синтез фермента, а на этой основе реконструировал этапы его генетического контроля.
Работа продвигалась медленно из-за чрезвычайной трудоемкости экспериментов. Представьте себе мельчайшие личинки дрозофилы, а у них надо «отобрать» еще более мельчайшие зачатки органов, а из них выделить фермент и т. д. Но настоящий ученый всегда старается получить ответ на поставленный вопрос наиболее «экономичным» путем. Так было и у Дж. Бидла. Ускорение в его работе наступило только после того, как ученый изменил подход к экспериментальной проверке гипотезы. Сам Бидл об этом вспоминает так: «Неожиданно мне пришло в голову, что можно перевернуть ход исследований и вместо того, чтобы пытаться разобраться в химии известных генетических повреждений, нам следует отобрать мутантов, у которых блокированы известные химические реакции. Нейроспора была подходящим объектом для такого подхода, так как ее можно было вырастить в культуральной среде известного химического состава».
Таким образом, в период интенсивного внимания к изучению ДНК (50-е годы) было уже ясно, что, во-первых, гены отвечают за синтез фермента или белка и, во-вторых, аминокислоты в белке расположены в определенной последовательности (первичная структура белка). После выяснения строения ДНК сам собой напрашивался вопрос: если белковая молекула состоит из строгой последовательности аминокислот, а ДНК — из строгого чередования нуклеотидов, то нельзя ли экстраполировать структуру ДНК на структуру белка?
Оказалось — можно. И новая блестящая глава была вписана в генетику: это расшифровка генетического кода, или молекулярная азбука наследственности. Над этой задачей трудились такие известные ученые, как Г. Гамов, С. Очоа, А. Корнберг, Ф. Крик, М. Ниренберг и другие. Изложение истории этого раздела (он не только интересный, но и во многом поучительный) заняло бы много места. Основной вывод по генетическому коду предельно ясный: три нуклеотида (триплет ДНК) в определенном сочетании отвечают за присоединение конкретной аминокислоты при синтезе белка. Сочетания нуклеотидов для всех аминокислот теперь хорошо известны, так же, как и общие характеристики генетического кода (универсальность, вырожденность и т. п.).
Как бы подробно ни изучалась ДНК, все еще оставался неясным вопрос о тех событиях, которые совершаются между нею как носителем наследственной информации и синтезируемым белком, точнее, между триплетом ДНК и аминокислотой. Естественно, напрашивалось предположение, что между кодом генетической информации (ДНК) и ее продуктом (белок) должны существовать некие промежуточные молекулы. На основе таких рассуждений была сформулирована гипотеза промежуточных молекул. Но недостаточно сформулировать гипотезу, надо было найти доказательства. И они были найдены.
В конечном счете возник постулат о нескольких типах РНК как промежуточных молекулах: информационной, рибосомной и транспортной.
Основную смысловую нагрузку в процессе передачи информации несет матричная (ее называют также информационной) РНК. Образуется она в результате «переписывания» (транскрипции) информации с ДНК. Как известно, основания РНК строго соответствуют основаниям ДНК, только вместо тимина в РНК входит урацил. Процесс этот сводится к синтезу РНК на основе «расплетенной» нити ДНК. Он включает три ступени.
Его начало — инициация, осуществление — элонгация и остановка — терминация — связаны с определенными участками ДНК. А «дирижирует» этим грандиозным действием, происходящим в ДНК, ферментативный комплекс, называемый РНК-полимеразой. Именно РНК-полимераза, «расплетая» молекулы ДНК, контролирует образование РНК на ДНК. Но и это еще не конкретный продукт для начала следующего процесса — считывания информации (трансляции), то есть синтеза полипептидных цепей на молекуле матричной РНК. Дело в том, что ген представляет собой прерывистое образование. И кодирующие последовательности (экзоны) чередуются в нем некодирующими участками (интронами). Некодирующие последовательности РНК с помощью определенных ферментов (рибонуклеаз) «вырезаются», а остающиеся «нужные» участки РНК соединяются между собой с помощью еще одного фермента — РНК-лигазы.
Таким образом, образуется молекула «зрелой» матричной РНК (мРНК). Она соединяется с белком и переносится в цитоплазму клетки в виде особых частиц, названных «информоферами». Их структура и функции подробно изучены советскими учеными — академиками А. С. Спириным и Г. П. Георгиевым, удостоенными за эту работу Ленинской премии. В составе информофер «зрелые» мРНК переносятся в цитоплазму, которую называют фабрикой-кухней по производству белков и ферментов.
— А что же дальше? — спросите вы. — Ведь мРНК — это не белок и не фермент, а именно они нужны для построения структуры клетки и выполнения ею специфичных для нее функций: сократительной, железистой, защитной и т. д.
Природа позаботилась об этом. В клетке есть еще два других типа РНК: рибосомная и транспортная.
Рибосомная РНК является составной частью внутриклеточных частиц — рибосом. Они обнаружены у всех живых организмов. Именно в них происходит синтез белка на основе матричной РНК, несущей информацию о последовательности аминокислот в белке.
Транспортную РНК называют посредником трансляции. Это она осуществляет доставку аминокислот к мРНК, и на рибосомах происходит формирование соответствующей (колинеарной, как ее называют) полипептидной цепи.
Как видите, ген работает с поразительной точностью: последовательно осуществляет комплементарный синтез РНК на ДНК, удаляет участки РНК и формирует «зрелую» мРНК, точно чередует аминокислоты в соответствии с его кодом, прекращает деятельность при наработке достаточного количества продукта. Все идет своим чередом по раз и навсегда установленному порядку.
Однако в этом явлении еще немало загадок. Каким образом, например, в процессе эволюции живого между ДНК и белком оказалась РНК как посредник сложного процесса белкового синтеза? Разумеется, можно выдвинуть несколько гипотез, объясняющих данный феномен, но все они будут умозрительными. Ведь каких-либо достоверных данных о начальных этапах живой материи у современных исследователей нет. Возможно, что в клетках первичных организмов просто не существовало различий между типами нуклеиновых кислот, но на определенном этапе эволюции произошло разделение функций поддержания непрерывности генетического кода и реализации генетической информации. Что же, возможно и такое…
Разумеется, познание процессов, развертывающихся под командой генетической информации в клетке, не было таким уж односторонне последовательным, как выглядит здесь, в моем описании. Это и понятно, потому что исследования по расшифровке генетического кода вели представители разных наук: и теоретики-математики, и экспериментаторы-биохимики, и молекулярные биологи. К тому же вели их неодновременно и разрозненными усилиями.
Что ж, пожалуй, можно было бы и поставить точку под этой частью рассказа о генетике. Но я все-таки воздержусь от этого, ибо завершить главу мне хотелось бы вот такой мыслью.
Разделенные временем и огромными расстояниями, реками и океанами, никогда не зная друг друга лично, десятки, сотни ученых вдохновенно работали на науку, имя которой генетика. И потому неудивительно, что их научные интересы, переплетаясь, взаимно дополняли и продолжали друг друга. Вот почему случилось так, что те ученые, чьи имена оказались прижизненно увенчанными всеобщей славой, среди своих учителей называют и русских ученых — истинных лидеров и создателей науки о наследственности и изменчивости. А потому вновь обращусь к Дж. Уотсону: «…курс вирусологии, — говорит он, — я слушал у Лурия, а курс генетики — у Мёллера. Потом я поехал делать мою диссертацию к Калтех, но Калтех отверг меня, потому что я не имел подготовки в физике. Пришлось вернуться в Индиану. И здесь я оказался вовлеченным в работу фаговой группы, которой руководят Лурия и Макс Дельбрюк, физик-теоретик, бывший тогда профессором Кальтеха. О Дельбрюке я уже знал по книге Эрвина Шредингера „Что такое жизнь? С точки зрения физика“. При встрече я удивился тому, как он молод.
Многие генетики сороковых годов думали, что вирусы — это чистые гены, и для понимания того, что такое ген, как он устроен, нужно изучать вирусы. Простейшими вирусами были фаги, так возникла фаговая группа, которая надеялась узнать, как гены управляют наследственностью клетки.
Сам Дельбрюк увлекался биологией под влиянием Н. В. Тимофеева-Ресовского. И если Лурия и Дельбрюк — отцы в науке, то Тимофеев-Ресовский — мой дедушка в ней».