Ее величество ДНК

Многие, кто интересуется наукой, а также историей, как нашей общей, так и историей отечественной несчастной биологии, читали, наверное, «Зубр» Д. Гранина. И помнят как Н.В. Тимофеев-Ресовский не очень-то любезно отзывался о «ДНКаке». Это тем более удивительно, что сам он стоял, можно сказать, у колыбели рождения этого одного из величайших открытий XX в. Но расскажем все по порядку.

Началось все еще в прошлом веке, когда никому не известный швейцарский врач Ф. Мишер опубликовал в 1871 г. в берлинском «Журнале медицинской химии» свою знаменитую статью о выделении нуклеина из белых клеток крови больных. Слово это образовано от латинского «нукс» – ядро ореха, а окончание «-ин» подразумевало, что он содержит азот, то есть относился к азотистым веществам, подобно белкам.

В 1879 г. на нуклеин Мишера обратил внимание крупный немецкий химик К. Альбрехт Коссель, которого было бы вернее назвать биохимиком. Коссель выяснил причину подагры («боли в ногах» в дословном переводе), которая возникает в результате отложения в суставах нуклеина. Он открыл в нуклеине вещество желтого цвета, производное мочевой кислоты. Оказалось, что это гуанин, впервые выделенный в 1858 г. А. Штрекером из перуанского гуано – помета птиц, ценного азотного удобрения.

Коссель также выделил из клеток тимусной железы тимин и аденин. Названия эти образованы от греческих слов, поэтому имеет смысл пояснить их. Железу греки называли «аден», что означало «плотный», «твердый» (обычно речь идет о лимфатических железках, которые при воспалении вспухают и твердеют; многим, наверное, приходилось слышать об операции удаления аденоидов, то есть ненормально разросшихся железок в носоглотке).

Обычно нуклеин выделяли из тимусной железы бычков. Тимус, или зобная железа, представляет собой огромное скопление лимфоцитов. Поэтому тимус называют еще главной железой иммунной системы, поскольку лимфоциты защищают нас от инфекционных болезней. Тимус называют еще и вилочковой железой, потому что он очень похож по форме на «вилочку» соцветия тимьяна, или чебреца. Так тимин получил свое название.

Потом из клеток тимусной железы выделили четвертое соединение. Поскольку по-гречески клетка «цитос», то оно получило название «цитозин». Так завершилось выделение четырех азотсодержащих веществ, входящих в состав нуклеина. В 1910 г. Косселу за его открытия вручили Нобелевскую премию по медицине.

Коссель считал, что нуклеин построен из четырех выделенных им веществ – тетрады: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) и тимина (Т). Кроме многих упомянутых выше открытий у Коссела было еще одно, не менее важное. В Берне он «открыл» русского химика, тоже занимавшегося нуклеином. Левен установил, что нуклеин, кроме тетрады А, Г, Ц и Т, содержит вдобавок к фосфорной кислоте еще и сахар дезоксирибозу, то есть «рибозу без кислорода».

Рибозу поначалу получил синтетическим путем немецкий химик Э. Фишер, удостоенный за изучение сахаров Нобелевской премии по химии в 1902 г. Когда Фишер исследовал строение рибозы, он увидел, что она очень похожа на сахар арабинозу, выделенный из гуммиарабика («арабской смолки», добываемой из эфироносов Арабского Востока). «Переделав» несколько название арабинозы, Фишер получил рибозу.

Рибоза представляет собой 5-членный сахар, в состав молекулы которого входит пять атомов углерода. В 1909 г. Ф. Левену удалось выделить рибозу при изучении нуклеина. На выделение дезоксирибозы у него ушло еще двадцать лет! Так он впервые установил строение мономерок, из сочетания которых построен нуклеин, или, как уже тогда стали говорить, нуклеиновые кислоты. На первом месте в нуклеотиде стоит азотистое основание А, Г, Ц, Т, за ним следует сахар дезоксирибоза, и все это замыкается фосфорной кислотой, которая и придает нуклеину кислотные свойства.

К тому времени уже научились выделять две нуклеиновые кислоты: тимусную и дрожжевую. В первой, выделяемой из ядер лимфоцитов тимуса, нуклеотиды имели описанное выше строение, например: А – дезоксирибоза – фосфорная кислота.

Вместо А могли быть также Г, Ц и Т. Но была также и дрожжевая нуклеиновая кислота, которую выделяли из клеток дрожжей,. имеющих обширную цитоплазму и маленькое ядро. У этой нуклеиновой кислоты были свои отличиям вместо Т был урацил (у), производное мочевой кислоты «уреи», а вместо дезоксирибозы просто рибоза: У – рибоза – фосфорная кислота.

Левен придерживался тетрадной точки зрения Коссела на строение нуклеиновой кислоты. Он считал, что четверки нуклеотидов монотонно повторяются по ходу нуклеиновой кислоты, и это ни о чем не говорит. К сожалению, такой взгляд значительно затормозил весь ход последующих событий. Авторитет Коссела и Левена оказал в данном случае плохую услугу развитию науки.

С ними обоими был категорически не согласен Роберт Фельген (он родился в 1884 г. в семье рабочего-текстильщика и сызмальства был приобщен, таким образом, к миру красок). В 1905 г. Фельген окончил медицинский факультет университета в г. Фрайбурге (там в свое время учился наш Ломоносов), после чего работал в госпитале приморского Киля, где написал диссертацию, посвященную лечению подагры, развивающейся, как уже говорилось, в результате отложения нуклеина в суставах ног. Затем он перебирается в Физиологический институт в Берлине, где работает в отделе, руководимом известным химиком Г. Штойделем.

Здесь Фельген улучшает метод шефа по выделению тимусной нуклеиновой кислоты, в которой больше не остается следов белка. После этого он сделал самое большое свое открытие: в 1914 г. он научился красить тимусную нуклеиновую кислоту с помощью особого красителя. При этом ядерная нуклеиновая кислота окрашивалась в интенсивно розовый цвет.. Дрожжевая, или цитоплазмическая, нуклеиновая кислота не окрашивалась методом Фельгена, поэтому он назвал свой метод нуклеарной, или ядерной, реакцией. Такая избирательность происходила из-за различия химического строения рибозы и дезоксирибозы.

Таким образом, Фельгену удалось выделить действительно только нуклеиновую, или ядерную кислоту, о чем он и доложил участникам Физиологического конгресса в Тюбингене. Но это его сообщение было встречено со скепсисом. Только А. Коссель поддержал молодого исследователя. В 1937 г. Фельген усовершенствовал свой метод и провел «нуклеарную» реакцию в проростках ржи. Тем самым он опроверг деление нуклеиновых кислот на тимусные и дрожжевые, или животные и растительные. Но опять же никто не обратил внимания на это его открытие. Время нуклеиновых кислот еще не наступило. Хотя вполне могло бы...

Дальнейшие события в этой полувековой драме разворачивались в Германии, Англии и Америке. В 1928 г. увидела свет небольшая работа Ф. Гриффита, микробиолога из Оксфорда. Он описал явление «трансформации» – преображения пневмококков, вызывающих пневмонию, или воспаление легких (тогда в отсутствие антибиотиков пневмония была смертельно опасным заболеванием). Пневмококки при выращивании в культуре образуют два типа колоний – с «оболочкой» и без оной. Первые оказались смертельными для мышек, а вторые безвредны.

Гриффит установил, что если «оболочечные» микроорганизмы убить путем прогревания, а потом смешать с безвредными, то некоторые ранее безвредные станут опасными. На семь лет раньше такое же явление обнаружил у брюшнотифозной палочки молодой советский исследователь Л.А. Зильбер.

Но ведь мы знаем, что нагревание «выключает» белки – попробуйте вылить белок яйца на разогретую сковородку. Он «коагулирует», то есть свернется и станет из прозрачного белым (вспомните так» же пастеризацию). Ферментативную и генетическую роль коагулированный белок выполнять уже не может.

Простите, скажет читатель, а при чем тут «генетическая» роль? Мы знаем, что белок выполняет роль фермента, ускоряя протекание реакций в миллиарды раз, но при чем тут ген? В том-то и дело! В то время полагали, что белок выполняет также и функцию носителя наследственной информации. Это всеобщее заблуждение очень сильно тормозило развитие науки о живом, мешало осознать тот вклад, который сделал Фельген, ну и многое другое. Достаточно вспомнить Н.К. Кольцова, учителя Тимофеева-Ресовского, который в 1927 г. постулировал наличие в клетках «гигантских наследственных молекул» и так называемого матричного синтеза, но белкового! Он считал – а вместе с ним и все остальные, – что ген представляет собой гигантскую белковую молекулу, на которой, как на матрице в типографии, «печатается» другая белковая молекула. И никого не волновало, что эта красивая гипотеза не соответствовала постепенно накапливавшимся фактам, противоречившим ей. Если факты не соответствуют нашим домыслам, то тем хуже для фактов.

В 1926 г., как, наверное, помнит читатель «Зубра», Кольцов посылает Тимофеева-Ресовского в Германию, где тот начинает в Берлине заниматься изучением генетики дрозофилы. К тому времени была уже сформулирована хромосомная теория наследственности Т.Х. Моргана. Он был зоологом морских беспозвоночных и поначалу исследовал процессы их размножения. Но постепенно увлекся вопросами наследования тех или иных признаков и поставил себе целью узнать, где покоятся «факторы» наследственности, как назвал их монах из Брно Г. Мендель, изучавший в 60-х годах прошлого века наследование признаков у гороха.

В 1910 г. Морган переключился на мушку дрозофилу. Ее научное название переводится на русский язык как «любительница винограда», потому что она очень хорошо размножается на винограде и в виноградном сиропе в лаборатории. Уникальной особенностью дрозофилы является то, что у нее всего четыре хромосомы (вернее, четыре пары, но для нас важно именно число 4). Хромосомы представляют особые X-образные тельца в ядрах клеток, которые могут быть окрашены специальными красителями – от греческих «хромое» – краска и «сома» – тело. Именно в хромосомах содержится нуклеиновая кислота, которая окрашивается в красный цвет при реакции Фельгена.

Сотрудник лаборатории Моргана У. Саттон показал под микроскопом, что поведение хромосом при делении клеток дрозофилы подобно «факторам» Менделя, и это лишний раз убедило Моргана в правильности избранного пути. Так родилась хромосомная теория наследственности, которая гласит, что гены, или наследственные факторы, как упорно продолжал называть их Морган, локализуются в хромосомах, передаваясь от поколения к поколению с половыми клетками – спермиями и яйцеклетками. В 1933 г. Моргану присудили Нобелевскую премию по медицине – первую, которую получал в этой области американский исследователь. Это потом Нобелевские премии посыпались на американцев как из рога изобилия. За год до триумфа в Стокгольме по предложению Н.И. Вавилова Морган был избран почетным иностранным членом АН СССР.

Хромосомная теория Моргана поставила перед наукой неразрешимую для того времени задачу. Действительно, Морган утверждал, что гены постоянны и неизменны, но биология говорила об обратном. Все в живом мире находится в постоянном изменении. Мы не можем отрицать того факта, что биосфера эволюционирует, то есть изменяется. Достаточно взглянуть на птиц и рептилий, млекопитающих и приматов. Другой вопрос: как, за счет чего происходят эти изменения? Гуго де Фриз, крупный голландский исследователь начала века, открыл мутации (от «мутаре» – изменяюсь) – наследуемые изменения, передающиеся от поколения к поколению.

Но, возражал Морган, посмотрите на менделевские признаки. Они вроде бы «пропадают» у гибридов первого поколения, но потом проявляются вновь – у четверти числа потомков – у внучатого поколения. То же свидетельствовал и открытый Вавиловым закон гомологических (одинаковых) рядов изменчивости, согласно которому признаки у сходных видов изменяются одинаково, или гомологичным образом гомологичны, например, наша рука и ласт кита, но нельзя говорить о гомологии ласта кита и плавника акулы – это аналогия, сходное приспособление к одинаковой водной среде обитания.

О стабильности генов знали и другие. К.А. Тимирязев писал, например: «Я указывал на нос Бурбонов, сохранившийся у герцога Немурского, несмотря на то, что в его жилах течет всего 1/128 крови Генриха IV». То же потом отметит в своей книге «Что такое жизнь?» известный австрийский физик-теоретик Э. Шредингер, который писал:

«У некоторых членов габсбургской династии нижняя губа имела особую форму (габсбургская губа). Наследование этого признака было изучено очень тщательно, и результаты опубликованы Императорской академией в Вене. Признак оказался настоящим менделевским аллелем (в данном случае «геном»; от греч. «аллелос» – часть гена) по отношению к нормальной губе. Присмотревшись к портретам членов семьи, живших в XVI...XIX столетиях, мы можем уверенно заявить, что материальная генная структура, ответственная за эту ненормальную черту, передавалась из поколения в поколение в течение столетий. Более того, число атомов, заключающихся в этой структуре, вероятно, должно быть того же порядка, как и в случаях, проверенных с помощью рентгеновских лучей. Как понять, что ген остался неизменным в течение столетий, несмотря на стремление теплового движения нарушить порядок в структуре?»

Вопрос, как видим, не праздный, если над ним ломают голову нобелевские лауреаты. Проще всего было бы объяснить все действием пресловутого «отбора», но такое упрощенное объяснение не проходит. Да к тому же, если мы скажем: за это ответствен отбор, это все равно ничего не объясняет, поскольку тут же. необходимо начинать исследование тех механизмов, которые лежат в основе отбора. То есть мы еще больше осложняем себе жизнь.

Но все же мы знаем, что мутации – пусть и крайне редко, с частотой порядка 10–6...10–8, то есть один раз на миллион или даже на сто миллионов, – все-таки происходят. Но такое крайне редкое событие очень трудно уловить. Представьте себе, что какое-то событие происходит один раз в сто миллионов минут, тогда нам, чтобы его дождаться, надо запастись терпением на как минимум громадное время – 250 лет.

Но как разобрать хромосомы и гены, да к тому» же, чтобы не погиб весь организм? Для этого необходимо выбрать такой тонкий инструмент, который «бил» бы только по одному гену. Но где же взять такой тончайший инструмент, который попадал бы только в один ген?

Такой тончайшей иглой оказался рентгеновский луч. Его можно легко фокусировать, определять интенсивность и дозу, делать более «мягким» и «жестким», в результате чего будет повреждаться меньшее или большее количество генов.

Этим и занялись Тимофеев-Ресовский и К. Циммер в Берлине. Они получили множество самых различных мутаций у дрозофилы, которые было легко определить и подсчитать. Генетика и на молекулярном уровне становилась количественной. Так они благополучно и занимались радиобиологическими исследованиями, не ведая о том, на пороге каких бурных событий они стоят.

Бури и революции в это время гремели совсем в другой области. Под грохот жарких споров и дискуссий рождалась новая физика – квантовая. В 1921 г. Нобелевскую премию по физике получил А. Эйнштейн, провозгласивший, что все относительно не только в нашей жизни, но и во Вселенной. За три года до этого премию в Стокгольме получил М. Планк, который придумал само слово «квант». Через год поехал в шведскую столицу Н. Бор, провозгласивший, что электрон никогда не упадет на ядро. Десятилетие, прошедшее с той поры, прошло под триумфальными знаменами нового революционного мышления в физике.

В начале 30-х годов физика уже почувствовала в себе достаточно сил для вторжения в ранее заповедную область, какой была жизнь. После первой мировой войны успехи органического синтеза позволили человеку соперничать с продуктами естественными. В 1922 г. был получен первый синтетический каучук, по своим свойствам мало отличавшийся от природного. Немецкий ученый Г. Штаудингер написал в том году статью, в которой говорил о «макромолекулярной ассоциации», то есть соединении молекул в большие, или «макро», комплексы, с которыми постоянно приходится сталкиваться в живых клетках. Еще через два года он дает новое определение макромолекул: «Это такие комплексы, в которых огромная молекула идентична первичным частицам-мономерам, другими словами, мы предлагаем термин «макромолекула» для обозначения молекулы, в которой одиночные атомы связаны вместе нормальными валентными связями».

Штаудингеру никто не поверил. Доказывая свою правоту, он пытался рассмотреть макромолекулы сначала под ультрафиолетовым светом, а затем и в электронный микроскоп. Он тоща еще не знал, что для того, чтобы увидеть молекулы белков и нуклеиновых кислот, которые относятся к макромолекулам, необходимы увеличения, тогда еще недостижимые. Тем не менее в своей лекции, прочитанной в 1936 г. в Мюнхене, Штаудингер впервые говорит о «макромолекулярной химии» и дает определение гена, звучащее следующим образом:

«Каждая генная макромолекула обладает четко определенным структурным планом, который и предопределяет его жизненную функцию».

Сейчас бы под таким определением гена подписался любой молекулярный биолог. В 1943 г. Штаудингер основал журнал «Макромолекулярная химия», а в 1951-м – Институт под тем же названием. Еще через два года ему за исследования в области макромолекул присудили Нобелевскую премию по химии. Но мы забежали несколько вперед.

В Копенгагене в своем Институте теоретической физики Н. Бор тоже задумывался над проблемой жизни. В 1932 г. он прочитал перед своими учениками, среди которых были такие выдающиеся ученые, как Г. Гамов, Л. Ландау, В. Паули и В. Гейзенберг, лекцию «Свет и жизнь». В этой лекции Бор говорил, что в конечном итоге жизнь, вернее ее изучение, сведется к «элементарным актам» квантовой физики.

Лекцию Н. Бора внимательно слушал молодой 26-летний немец, ученик известных радиохимиков О. Гана и Л. Мейтнера. Его звали Макс Дельбрюк. Поначалу в университете он занимался астрономией, но потом его захватила молодая и бурно развивающаяся квантовая физика, в результате чего он и попал на лекцию Н. Бора. Вернувшись в Берлин, Дельбрюк решил заняться изучением «элементарных актов». Вечерами, приходя с работы, он стал разбираться в том, что такое жизнь. Но быстро запутался в противоречивых теориях и обратился к Н.В. Тимофееву-Ресовскому и К. Циммеру. Собираясь втроем и обсуждая интересующие их проблемы, они попытались ответить на вопрос, каков объем гена, способного мутировать?

Задача была не из простых, особенно если учесть, что никто не знал, что такое ген. Знали только, что ген – это единица наследственности, но кроме этих весьма общих рассуждений дело дальше не шло. Согласно Моргану гены локализуются в хромосоме, но как их увидеть, если и сами хромосомы-то не всегда можно было различить даже в мощнейшие микроскопы.

Ученые рассуждали примерно так. «Известно, что для вызывания мутации необходимо воздействие рентгеновских лучей, которые представляют собой поток квантов электромагнитного излучения довольно большой энергии. Энергию квантов может рассчитать Делюбрюк – на то он у нас и физик-теоретик, увлекающийся к тому же квантовой физикой. А мы со своей стороны определим дозу облучения, количество и качество мутаций...»

Так в 1935 г. на свет появилась знаменитая «статья тройки», в которой делался удивительный вывод: объем гена, вернее его изменяющейся в ходе мутации части, не превышает куба со стороной грани не больше размера десяти атомов! То есть все мутационные события на молекулярном и квантовом уровне ограничены кубом, в пространстве которого умещается не более 1000 атомов. А то и меньше. Это был эпохальный результат. Ведь к тому времени уже было известно, что молекула белка, из которого, как думали, состоит ген, имеет значительно большие размеры.

Но если ген не из белка, тогда из чего же? На это «статья тройки» ответить не могла. Да исследователи и не ставили перед собой такой цели. К тому же их временный коллектив практически туг же распался.

На «статью тройки» обратил внимание «селекционер талантов» Уоррен Вивер, директор отдела естественных наук Рокфеллеровского фонда. Он был захвачен той же идеей, что и Бор: приспособить новейшие открытия в области физики и химии, чтобы приступить к решению вечной загадки жизни. Именно Вивер запустил в обиход в 1938 г. термин «молекулярная биология» – наука, которая с той поры посвятила себя изучению молекул жизни.

М. Дельбрюк получил стипендию Рокфеллеровского фонда и уехал в США, где поначалу оказался недалеко от Моргана в Пасадене, штат Калифорния (в этой лаборатории был тогда и Н.И. Вавилов). Там Дельбрюк встретился с Л. Полингом, занимавшимся рентгеноструктурным анализом нитей шелка, чтобы понять, как устроена молекула белка. Через некоторое время он откроет свою знаменитую альфаспираль, образуемую в пространстве молекулой белка, из которого состоит шелк.

В 1940 г. М. Дельбрюк опубликовал в соавторстве с Полингом статью о принципе комплементарности живых молекул. Вся наука бредила тогда этим принципом, открытым Н. Бором (у нас его переводят еще как принцип дополнительности; «комплементом», или «комплиментом», в средние века называли дань, которую вассалы выплачивали своим сюзеренам; в науке утвердилось написание этого слова с корневым «е»). В биологии имеется очень много примеров комплементарности. Комплементарны, например, две ладони, древнекитайские символы «инь» и «ян», гнезда штепселя и штырьки вилки. Менее известно о комплементарности молекул антигена и антитела, что очень важно для иммунитета.

Антигеном называются молекулы или их части, с помощью которых болезнетворные организмы оказывают свое пагубное действие на наши клетки. Само слово «антиген» переводится дословно как «порождающий против (себя)». Поступая в организм, антиген порождает против себя антитела, представляющие специальные белки, синтезируемые особыми лимфоцитами, «сидящими» в лимфатических узлах. Природа так уж устроила, что эти белки-антитела подходят к молекулам антигенов и нейтрализуют их, соединяясь комплементарно. В этом отношении антитела можно сравнить с ножнами, которые комплементарны ножу или мечу и которые делают режущую часть безопасной, «нейтрализуют» лезвие.

Потом Дельбрюк перебрался в Нью-Йорк, а точнее на остров Лонг-Айленд, лежащий в океане неподалеку от Манхэттена. На этом. острове есть бухта. Холодного ключа. (Колд-Спринг-Харбор), на берегу которой располагалась некогда нью-йоркская биостанция, где одно время работал Морган. Со временем, правда, биостанция «переориентировалась» и стала лабораторией, в которой все больше интересовались вопросами, касающимися микроскопических форм живого.

К Дельбрюку присоединился молодой итальянский врач-рентгенолог С. Лурия. В тридцатых годах он учился в Римском университете и довольно часто захаживал к своему приятелю, работавшему в лаборатории всемирно известного Энрико Ферми. В декабре 1938 г. Ферми поехал в Стокгольм на торжества, посвященные вручению ему Нобелевской премии, и в Италию Муссолини уже не вернулся. Лурия понял, что ему тоже нечего делать вместе с фашистским диктатором, и перебрался в Париж. Но вскоре Париж пал, и Лурия, который принимал активное участие в антифашистской борьбе, был вынужден уехать в США, где и обратился к Дельбрюку за помощью. Дельбрюка он знал по «статье тройки», которую ему показал в лаборатории Ферми его друг.

Вместе с Дельбрюком Лурия организовали знаменитую «фаговую школу» на Лонг-Айленде в Колд-Спринг-Харборе. Фагами, а вернее бактериофагами, называют вирусы – враги бактерий. Атакуя бактерию, вирус проникает в нее, размножается и убивает клетку, как бы «поедает» ее (название фага образовано от греческого «фагейн» – поедать, пожирать). В 1942 г. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели фаги в совершенно новый для того времени электронный микроскоп. Лурия часть работы проводил в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке, где встречался с Левеном. Тот продолжал уверять всех, что нуклеиновая кислота имеет очень монотонную структуру, нуклеотиды ее повторяют раз за разом А – Г – Т – Ц, А – Г – Т – Ц и т.д. Что может быть интересного в такой монотонно повторяющейся последовательности?

А в это время по другую сторону Атлантического океана в Европе бушевала кровопролитная война. На британских островах появлялось все больше беженцев, пытавшихся спастись от фашистов. Среди них был Э. Шредингер, поэт и физик-теоретик, получивший Нобелевскую премию в 1933 г. Он преподавал в колледже ирландской столицы (г. Дублин). Летом 1943 г. он прочитал курс лекций физикам, который затем вылился в книжку «Что такое жизнь? С точки зрения физика». Название книжки говорит само за себя.

В этой книге он, помимо примера с «габсбургской губой», о которой мы уже говорили выше, рассказал и о статье Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка. Авторитет Шредингера был настолько велик, что многие физики обратили внимание на эту статью, которую бы иначе они просто не заметили. Среди этих физиков был и Ф. Крик из Кембриджа. Он потом писал, что книжка Шредингера оказала большое влияние на «многих, кто пришел в биологию из физики сразу же после войны».

В Америке книжку прочитал молодой аспирант С. Лурии – самый первый и самый любимый ученик римлянина. Это был талантливый биолог из «глубинки» Америки, который закончил университет штата Индиана в 18 лет, занимался изучением птиц, а потом, услышав лекции Лурии по фагам, круто изменил область интересов и применения своих сил и пришел в «фаговую школу». Звали этого бывшего орнитолога Джеймс Уотсон. Он тоже потом вспоминал, что, прочитав книжку Шредингера, «загорелся мечтой узнать, что такое ген!»

В 1943 г. произошло эпохальное событие – была определена химическая природа гена! «Здесь выделен ген в чистом виде», писал в 1943 г. из Рокфеллеровского института к себе на родину в Австралию М. Бёрнет, будущий нобелевский лауреат в области медицины за 1960 г. В какой же лаборатории это произошло? А произошло это в лаборатории пневмонии, руководителем которой был Освальд Эйвери. Эйвери занимался пневмококком в 1917 г.! В 1928 г. он прочитал статью Ф. Гриффита и тут же поручил своим сотрудникам проверить данные англичанина. Данные были совершенно точные, более того, трансформацию пневмококков можно было осуществлять даже в пробирке, что сразу же облегчило задачу изучения этого молекулярного явления. А в том, что это было молекулярное явление, Эйвери не сомневался. С М. Маккарти и К. Маклеодом они в конце концов доказали, что за трансформацию ответственна «кислота дезоксирибозного типа», о чем они и написали в статье, вышедшей в свет 4 февраля 1944 г. Этот день можно считать днем рождения дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в биологическом смысле слова. Стало ясно, что ген – это ДНК!

Однако это величайшее открытие, ставящее многое в биологии с головы на ноги, прошло незамеченным. С. Лурия писал потом, что «мне до сих пор мучительно вспоминать о том, как в статье 1951 г. (то есть через более чем шесть лет (!) после опубликования эпохальной статьи Эйвери, Маккарти и Маклеода) я выдвигал предположение, что генетическим материалом у бактериофагов служит белок. И это за несколько месяцев до того, как А. Херши и М. Чейз сообщили о своих блестящих экспериментах, доказавших, что геном (совокупность генов) фага представляет собой ДНК!» Что же это были за блестящие эксперименты?

К тому времени физики снабдили биологов радиоактивными изотопами – сейчас по новой моде их называют «радионуклиды», то есть элементы с радиоактивными ядрами, здесь физика и в терминологии состыковалась с нуклеиновыми кислотами,. – в частности фосфора и, серы. Для проведения решающих экспериментов и окончательного выяснения роли ДНК и белка удобно пользоваться изотопами фосфора и серы: в ДНК нет серы, а в белках – фосфора.

Уже упоминалось о том, что М. Дельбрюк и Т. Андерсон впервые увидели фаги на новом, незадолго до того построенном физиками электронном микроскопе, который по сравнению со световым микроскопом дает увеличения в сотни раз большие, – фаги, облепившие бактериальную клетку (Э. Руска получит премию за свой электронный микроскоп только в 1986 г. – через 55 лет после его создания!). В науке увидеть означает очень многое. Сразу становится ясно, что делать дальше.

И вот Херши и его сотрудница Марта Чейз решили посмотреть, что будет, если с помощью радиоактивных серы и фосфора пометить белки и ДНК фага. Оказалось, что в клетку микроорганизма проникает только ДНК вируса, а вся его белковая оболочка остается снаружи! Потом, правда, выяснилось, что вместе с ДНК в клетку входит и небольшое количество белка, необходимое для размножения ДНК, но для того времени это было несущественно. Главное было то, что этот блестящий эксперимент доказал справедливость вывода Эйвери: генетическим материалом является ДНК, а не белок! Это была революция в биологии.

И ее знаменосцем в Европе стал Дж. Уотсон, которого С. Лурия послал в Кембридж в знаменитую Лабораторию молекулярной биологии, где сейчас работает почти десяток нобелевских лауреатов. Тогда они, конечно же, лауреатами не были, но все стремились познать тайны жизни. Одни занимались белками, другие – их было значительно меньше – ДНК. «Прибытие Уотсона, – вспоминал потом нобелевский лауреат М. Перутц, – оказало большое влияние не только на Ф. Крика, который во многом думал так же, как и он, но и на всех нас, которые больше интересовались структурой и функцией белков, нежели тем, откуда эти белки возникают».

В отделе М. Уилкинса кристаллы ДНК «рассматривали» под рентгеном, чтобы понять, как она устроена. К тому времени было известно, что она может иметь молекулярный вес до миллиона, то есть это был макромолекулярный природный полимер, мономером которого был нуклеотид, «разобранный» на части Левеном. Э. Чаргафф из Колумбийского университета в Нью-Йорке установил поразительный факт: в ДНК всегда число А равнялось числу Т, а Г – Ц! Было такое впечатление, что А и Т, Г и Ц «ходят парами»! Сам Чаргафф то время описал довольно юмористически:

«После первой встречи в Кембридже я был озадачен при виде двух энтузиастов (имеются в виду Уотсон и Крик), которые пытаются уложить нуклеотиды в спираль (двойной эта спираль стала после того, как я рассказал им о наших результатах), не потрудившись узнать строение соединений, из которых эта спираль должна состоять».

Была еще в лаборатории Розалии Франклин, которая нетерпеливому Уотсону казалась «синим чулком», что он ей и высказывал. На самом же деле она была символом женщины в науке, где доминируют мужчины – недооцененная, эксплуатируемая, вынужденная постоянно доказывать, что она не глупее коллег. Р. Франклин бросила раскованную академическую жизнь в Париже и перебралась в Кембридж, чтобы исследовать ДНК под рентгеном. Она и Уилкинс взаимно не переносили друг друга, Уилкинс говорил всем, что, по его данным, ДНК представляет собой спираль, а она утверждала обратное.

Тем не менее именно результат, полученный Р. Франклин, сыграл решающую роль в прозрении. Уотсона. В этот момент они с Криком «сражались» с незадолго до того предложенной Л. Полингом трехцепочечной моделью ДНК. И вот из разговора с Уилкинсом Уотсон узнает о другой, не A-, а B-форме ДНК, которую получила на своих рентгенограммах Р. Франклин. Это стало последней каплей: «И вдруг я заметил, что пара аденин-тимин, соединенная водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин-цитозин (то есть они друг другу комплементарны, добавим от себя)».

«Мы предлагаем вашему вниманию структуру ДНК, имеющую некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес...» Так начиналась статья Уотсона и Крика в номере международного научного журнала «Нейчер» от 27 апреля 1953 г. В этой статье они предлагали модель двухцепочечной спирали ДНК, похожей на винтовую лестницу, ступеньками которой являются комплементарные пары А – Т, Г – Ц. «Перилами» лестницы служат молекулы сахара дезоксирибозы, а соединяются нуклеотиды в цепочку при помощи фосфорной кислоты. Схематически это выглядит следующим образом, где Ф – остаток фосфорной кислоты.

Рис. 1. Схема двуцепочной молекулы ДНК

1 – Адениновый нуклеотид ДНК; 2 – Урациловый нуклеотид РНК; 3 – Сахарофосфатный остов нуклеиной кислоты (ДНК) с присоединенными к нему азотистыми основаниями А, Г, Ц и Т

В 1962 г. Уотсон, Крик и Уилкинс за свое открытие были удостоены Нобелевской премии по медицине. Р. Франклин, к сожалению, к этому времени умерла от рака. Если бы этого не произошло, то впервые в истории Нобелевских премий ее надо было бы давать четверым...

«Здесь в Кембридже произошло, быть может, самое выдающееся после книги Дарвина событие в биологии – Уотсон и Крик раскрыли структуру гена!», писал в Копенгаген Нильсу Бору его бывший ученик М. Дельбрюк.

Круг замкнулся. Для этого понадобилось всего двадцать лет интенсивного мозгового штурма, предпринятого физиками. Теперь очередь была за биологами...

Из научной статьи :

Дмитрия СКЛАДНЕВА