В чем сходство между шифровкой и ДНК

Все знают, как начиналась Вторая мировая война. Сначала Гитлер напал на Польшу, потом повернул на Запад, разгромил Францию и вышел к берегам Ла-Манша, где блокировал у Дюнкерка английскую экспедиционную армию, безуспешно пытавшуюся помочь деморализованным французским вооруженным силам. Каким-то чудом англичанам, перед боевыми окопами которых Гитлер остановил свои танки, удалось эвакуировать солдат из-под Дюнкерка. Началась «битва за Британию», бомбардировки Лондона ужасными «фау». Над Англией нависла реальная угроза вторжения с материка. Простые англичане вступали в отряды самообороны и гражданской гвардии. Время было тревожное и неопределенное. Только решение Гитлера повернуть на нашу страну спасло Британию от вторжения – открытого, с применением миллионных масс современных армий. Тайное вторжение на острова туманного Альбиона не прекращалось.

Абвер, гестапо и другие разведки гитлеровской Германии засылали в страну множество агентов, которых не всегда удавалось найти и обезвредить. Не следует забывать, что среди англичан – не простых, конечно, – были тайные и явные сторонники бесноватого фюрера. Нацистские агенты пересылали свои сообщения с помощью зашифрованных радиограмм. Из Берлина также по радио им передавали приказы и распоряжения, которые они должны были выполнять.

Нет ничего проще, чем перехватить радиосообщение. Поставь антенну и лови сигнал, предназначенный для агента. Или наоборот, если сумеешь запеленговать радиопередатчик шпиона. Но ведь разведывательный центр и агент переговариваются, как говорится, не открытым текстом, а закодированным. Расшифровать бесконечные группы цифр практически невозможно, тем более что каждый раз после передачи центр и радиошпион меняют шифр, или код.

А какое все это имеет отношение к нашей теме рассказа? На первый взгляд никакого. Но если учесть, что мы есть творения живой природы, а в ней действуют в общем-то единые законы, то выяснится, что шифр – это изобретение человеческого мозга, а мозг представляет собой живой орган, построенный из клеток, жизнь которых управляется командами ДНК. Отсюда можно предположить, что законы, управляющие мозгом, когда он придумывает шифр, сходны с законами, управляющими генетически кодом.

После триумфа Уотсона и Крика, и понимания того, что ген – это ДНК, перед учеными во всей своей грандиозности встал вопрос о том, как, с помощью какого шифра, ДНК управляет синтезом белка, то есть соединением аминокислот в строгом порядке. И не дай бог, если этот порядок по каким-то причинам, например в результате мутации, нарушится.

В 1968 г. в университете во время лекции, посвященной всем этим проблемам, Тимофеев-Ресовский своим грассирующим голосом произносил: «Теория Билда и Тэйтума «уан джин – уан энзим», то есть «один ген – один фермент».

Американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтем из Висконсинского университета занимались исследованием обмена веществ у хлебной плесени «нейроспоры», известной своими изящными сумочками, в которых уложены рядком восемь аккуратных спор. При облучении грибка рентгеном в его генах возникают мутации, которые можно выявить по нарушению окраски, изменению количества спор и т.д. В конечном итоге Бидл и Тэйтум выяснили, что мутация одного гена ведет к нарушению функции одного белка-фермента, в результате чего могут прекращаться синтез пигмента или происходить другие нарушения обмена. В 1958 г. за это открытие Биллу и Тэйтуму была присуждена Нобелевская премия.

Можно привести и другие примеры. В Африке довольно часто встречается особое заболевание крови, которое получило название серповидноклеточная анемия (СКА). На это заболевание еще в 1904 г. обратил внимание чикагский врач Дж. Херрик, который писал, что при этом заболевании красные кровяные клетки эритроциты становятся похожими на серпики луны, откуда и название заболевания. При СКА молекулярный анализ показал, что в одной из цепей гемоглобина одна аминокислота – глутаминовая – меняется на другую – валин.

На валин происходит замена и в одном из клеточных белков, в результате чего он становится раковым и трансформирует клетку, превращая ее в злокачественную. Сейчас молекулярные биологи уже много знают примеров такой замены, в результате чего функция белка искажается до неузнаваемости.

Но в 1953 г. это было все еще неизвестно. А самое главное, было неизвестно, каким образом ген преобразует свою информацию в последовательность белковой цепи, то есть не был известен генетический код. Была, правда, одна чисто теоретическая догадка физика Г. Гамова, о котором мы уже говорили – ученика Бора и друга Л. Ландау, который хорошо знал по Кембриджу начала 30-х годов П. Капицу. Гамов Георгий Антонович окончил Ленинградский университет в 1926 г. и в 1931...1933 гг. работал в Ленинградском физико-техническом институте. В 1934 г. он эмигрировал в США.

Оказавшись в Америке, он занимался теоретической физикой. Однако наслушавшись разговоров о генах, ДНК-, узнав, что она содержит – как и карты – всего четыре «масти», он решил разложить пасьянс с целью понять устройство генетического кода. Гамову сразу стало ясно, что код не может быть «двоичным», то есть одну аминокислоту должны кодировать не двойка нуклеотидов-«букв», а тройка. Почему не две, а три?

Это станет ясно, если учесть тот факт, что в состав белков входят 20 аминокислот. Сочетание из 4 по 2 дает всего 16 комбинаций, что недостаточно для кодирования всех аминокислот. Следовательно, заключил Гамов, код должен быть трехбуквенным, то есть каждую аминокислоту должна кодировать тройка «букв» в любых сочетаниях.

Но число сочетаний из 4 по 3 равно 64, а аминокислот всего 20. Зачем же такая избыточность? Такой избыточности, конечно, не нужно, но что делать, если двух букв для всех аминокислот не хватает. Приходится мириться. На том пока и остановились».

Однако проблема кода не давала покоя Дж. Уотсону. На следующий год после своего триумфа он попытался сопоставить форму аминокислот и нуклеотидов ДНК. Из этого ничего не вышло: «кубики» из разных наборов не состыковывались. Через год Ф. Крик, видя неудачу Уотсона, предположил, что между ДНК и белком должен быть. некий «адаптер», приспособление, которое с одной стороны подходит к ДНК, а с другой к аминокислоте. Так впервые возник вопрос об особом классе кислот рибонуклеиновых – (РНК), которые были открыты в 1957 г. англичанином М. Хоглэндом. Эти РНК получили название «транспортных», или т-РНК.

Переломным в решении проблемы генетического кода явился 1961 г. За год до этого в Кембридж к Ф. Крику и С. Бреннеру приехал в гости на Пасху Ф. Жакоб из парижского института Пастера; Он рассказал об идее его сотрудника Ж. Моно и которую поддержал их шеф А. Львов. Она касалась существования в клетке короткоживущей РНК, переносящей команды от ДНК к рибосомам, клеточкам-тельцам, с помощью которых синтезируется белок. На следующий год эта РНК, получившая название информационной (и-РНК) была открыта в лаборатории М. Дельбрюка в Калифорнийском технологическом институте и одновременно У. Гилбертом в лаборатории Уотсона в Гарварде.

После всех этих открытий выстроилась очень красивая и ясная схема синтеза белка в клетке. ДНК при этом является носителем генетической информации, кодируя правильный порядок аминокислот в белковой цепи. Информация эта к месту синтеза белка передается в виде копии и-РНК, поступающей в рибосому, которая после синтеза белка разрушается (почему и является короткоживущей). К рибосоме также поступают т-РНК с аминокислотами на «хвосте», в результате чего и синтезируется белковая молекула.

Но на этом события 1961 г. не закончились. В мае в Москве на Международном биохимическом конгрессе выступил М. Ниренберг, которому впервые удалось прочитать первые три буквы генетического кода: ААА для аминокислоты фенилаланина! Как это было сделано? А довольно просто. Ниренберг поместил в пробирку синтетическую нуклеиновую кислоту (к тому времени А. Корнберг из Стэнфордского университета уже успел получить Нобелевскую премию (1959 г.) за синтез нуклеиновых кислот в пробирке), содержащую многократно повторенный один-единственный нуклеотид. И рибосомы начали синтезировать «белок», состоящий из одной аминокислоты («один ген – один фермент»). Принцип расшифровки генетического кода прояснился. Через три года Крик закончил решение этой задачи!

В это же время американский ученый Х.Г. Корана сумел химическим способом синтезировать первый работающий ген, а американец Р. Холи «прочитал» первый ген одной из т-РНК. Все они были удостоены Нобелевской премии по медицине в 1968 году. На следующий год после них премией были награждены М. Дельбрюк, С. Лурия и А. Херши.

Так, можно сказать, закончилась эпопея «статьи тройки». Жаль только, что на этом празднике науки забыли о К. Циммере и Н.В. Тимофееве-Ресовском, получившим воркутинский лагерь и «шарашку» на Урале.

Но вернемся к проблеме генетического кода и структуры гена и его работы. В 1965 г. Нобелевскую премию по медицине получили Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов, которые доказали, что ген большую часть времени «закрыт» для считывания – находится в неактивном состоянии.. Они обнаружили в нем регуляторную и структурную части. Первая «включает» и «выключает» ген, а вторая ответственна за кодирование структуры белка.

После расшифровки генетического кода выяснилось, что синтез белка начинается всегда с одной и той же аминокислоты, которая затем «отстригается», являясь как бы сигналом к началу синтеза белка. Кроме того были также обнаружены две тройки нуклеотидов, или «букв», которые не кодировали никаких аминокислот. Если такие бессмысленные тройки помещали в середину структурной части гена, то синтез белка останавливался. Ту или иную «стоп»-тройку всегда находили в конце структурной части гена.

Рис. 2. Схема синтеза белка в клетке

а) Двухцепочная спираль ДНК; б) Одноцепочная молекула РНК; в) Транспортные РНК с молекулами аминокислот на «хвосте»; г) Рибосома, на которой происходит синтез белка из аминокислот; д) Синтезированная белковая цепь

В своей лекции в Стокгольме Х.Г. Корана сказал в 1968 г.: «Теперь нам нужно научиться встраивать и вырезать гены. И когда – в далеком будущем, – это станет возможно, возникнет соблазн коренным образом изменить всю нашу биологию».

Эти слова очень созвучны словам Крика, который ворвался в конце марта 1953 г. в кембриджский паб: «Мы открыли секрет жизни!». Уотсон был сдержаннее, но все равно «собрался переписать всю Библию, обратившись к истокам жизни на Земле, чтобы узнать, что из этого выйдет».

Биология решила две величайшие загадки жизни. Она узнала, из чего состоят наши гены и как они работают, прочитав язык, на котором говорит вся жизнь. Биология поняла, что код жизни уникален и универсален. Биология получила в свое распоряжение кольцо царя Соломона, с помощью которого можно теперь говорить с любым живым существом. И Корана наметил путь дальнейшего развития науки о жизни – «научиться встраивать и вырезать гены». Он считал, что это «станет возможно в далеком будущем».

Но похоже, что никто не собирался долго ждать этого будущего.

Его решили делать сегодня...

Из научной статьи:

Дмитрия СКЛАДНЕВА.