Вполне может быть, мы до сих пор не знали бы всех подробностей о жизни ДНК, если бы не одна из напастей XX века – пневмония. После Второй мировой войны она уносила почти столько же человеческих жизней, сколько немецкие танки и авиация, вместе взятые. В отсутствие антибиотиков (их к тому времени еще не изобрели) воспаление легких стало настоящей угрозой человечеству. Поиск возбудителя болезни и способов его нейтрализации стал задачей номер один для ученых всего мира.
В 1944 году группа американских бактериологов (их опыты чуть позже повторил и английский коллега) исследовали два штамма пневмококков. Они различали их по наличию и отсутствию определенных клеточных включений – капсул. Выяснилось, что бактерия с капсулами передавала заболевание дальше, а штамм без капсул оказался совершенно безвредным.
Главную роль в эксперименте играли белые мыши (эти животные имеют столь огромное значение для развития нашей науки, что впору ставить им памятники и монументы). Крохотным «добровольцам» вводили капсульный штамм, безкапсульные бактерии и штамм S, убитый нагреванием. Ученые удовлетворенно потирали руки, наблюдая за предсказуемым результатом: мышки первой группы погибали, а вторая и третья не высказывала никаких признаков болезни. Так продолжалось до тех пор, пока естествоиспытателям не пришла в голову идея вкачать группе подопытных животных одновременно бескапсульный штамм и штамм, убитый нагреванием. Каково же было изумление биологов, когда через некоторое время они увидели все признаки пневмококковой инфекции и животные погибли. В клетках погибших животных они обнаружили капсульный штамм. Получается, что живые безкапсульные клетки пневмококка в присутствии убитых нагреванием капсульных каким-то образом получили новый признак – капсулу – и стали убийственными. Но что именно стало передающим звеном?
Опыт повторили в пробирке, и он дал тот же результат – убитые нагреванием клетки передали свой признак – капсулу – бескапсульным клеткам вместе со способностью вызывать болезнь. Значит, никакой инородный агент из тканей животных на реакцию не влиял.
Тогда ученые решили воздействовать на безкапсульный штамм разными частями «убитого» штамма по очереди – чтобы выяснить, какой именно химический компонент клетки содержит в себе передающийся признак. И так добрались до нашего знакомого нуклеина – точнее, дезоксирибонуклеиновой кислоты.
Казалось бы, истина восторжествовала. Но не тут-то было. Тайна ДНК так долго будоражила лучшие умы планеты, что столь простое решение ученый мир принять просто не смог. Опыты высмеивались, их результаты подвергались сомнению, исследователям указывали на то, что они, дескать, не смогли добиться полной чистоты эксперимента и просто «проморгали» какой-нибудь белок, который (в силу сложности своего строения) и мог быть единственным претендентом на роль хранителя «наследственных тайн».
Описанный эксперимент проводили снова и снова, но он с обескураживающим постоянством давал одни и те же результаты. Возможно, споры затянулись бы еще на несколько лет, если бы параллельно не был изобретен пенициллин. С одной стороны, он снял остроту проблемы с заболеваемостью пневмонией (и позволил ученым отвлечься от практической медицины), а с другой – стал основой для новой серии экспериментов.
Дело в том, что, пока изобретенный антибиотик проверяли в лабораторных условиях, было замечено, что есть штаммы микробов, на которые пенициллин не действует. Причем этот признак также оказался наследуемым. Более того, в схожих опытах с использованием убитых нагреванием, но устойчивых к пенициллину штаммах и живых, но неустойчивых, признак «устойчивости» передавался от первых ко вторым. Но самое интересное, что передавался он только при воздействии на штаммы дезоксирибонуклеиновой кислотой.
Оставалось ответить на главный вопрос: как простое соединение нескольких химических элементов может «запоминать» и «передавать» потомству нужную информацию? Впрочем, для начала было бы неплохо вообще узнать, что представляет собой молекула ДНК и как указанные химические вещества в ней сочетаются.
История о проволочном человеке
В этой истории главным действующим лицом становится сооружение из проволоки. Молодые ученые Крик и Уотсон в течение двух лет пытались представить себе, как именно может выглядеть молекула ДНК – что она собой представляет? Они извели тонны металлической проволоки, пытаясь выстроить объяснимую с точки зрения органической химии конструкцию. Как мы помним (а ученые к середине XX века уже знали это доподлинно), ДНК состоит из четырех азотистых оснований – гуанина, цитозина, тимина и аденина. Эти основания связаны между собой атомами водорода. В теории все выглядело просто. Но когда ученые пытались создать пространственную модель ДНК, они выяснили, что соединения получаются какими-то кособокими – азотистые основания оказались разного размера и никак не хотели выстраиваться в циклическую цепочку.
Как только не переставляли кусочки своей проволочной скульптуры Уотсон и Крик. Они изгибали проволоку под разными углами, прилаживали шарики (изображающие основания) в различных комбинациях и сочетаниях – модель не складывалась. За два года ученые так привыкли к своей металлической модели (которая была выше человеческого роста!), что начали относиться к ней как к живой и даже разговаривали с ней, пытаясь выведать ее секрет.
А решение, как это обычно и водится, пришло с неожиданной стороны. Изучая химическое строение ДНК, ученые выяснили, что гуанин, цитозин и тимин имеют на периферии атомы кислорода и ряд двойных связей. Эти двойные связи могут перемещаться в молекуле так, что периферийные атомы кислорода будут связаны или двойной связью, или простой. Первый вариант назвали кетонной связью, второй получил название енольной. Оказалось, что Крик и Уотсон учитывали только енольную форму соединения оснований, пренебрегая кетонной. Как только в модель подставили первую, проблема оказалась решена! Ученые изготовили новые модели из картона и обнаружили, что пара аденин – тимин имеет такую же форму и размеры, что и пара гуанин – цитозин. Это позволяло уложить пары внутрь двойной спирали, подобно ступенькам винтовой лестницы. Проволочный человечек наконец-то получил устойчивость, а теория – доказательную базу!
Глава 2. Как ДНК передает информацию
Все, что мы знаем о ДНК сегодня, имеет в своей основе открытие, сделанное в 1953 году. Изящность предложенной модели сразу же покорила научный мир. Стало понятно, что генетический код представляет собой последовательность нуклеотидов (элементов) в двойной спирали ДНК. В случае необходимости двойная спираль расплетается, и с одной из ее половин информация считывается на строящуюся молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая передает эту информацию каждому произведенному ею белку (см. выше). Кроме того, при полном разделении спиралей ДНК каждая из половин может стать матрицей для достройки второй половины («самовоспроизведение»).
Расшифровка структуры ДНК стала одним из самых крупных открытий в истории науки. Оно позволило лучше понять такие проблемы, как взаимодействие наследственности и внешней среды, мутации и их последствия для синтеза белка, и, главное, приблизило человечество к пониманию самого происхождения жизни.
Но как ДНК передает информацию?
Когда мы обмениваемся информацией, мы используем буквы и звуки. Точно так же поступает и ДНК. Только в этом случае роль звуков и букв играют основания азотистой кислоты.
Итак, молекула ДНК состоит из двух гигантских цепочек. Каждое звено в ней сложено из состоит углевода дезоксирибозы (то есть рибоксиновой кислоты, лишенной кислорода), остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований (А, Г, Т или Ц). Последовательность звеньев в цепочке может быть любой, но эта последовательность строго связана с последовательностью звеньев в другой (парной) полимерной цепочке: напротив А должно быть Т, напротив Т должно быть А, напротив Ц должно быть Г, а напротив Г должно быть Ц (это правило назвали правилом комплементарности; то же самое правило мы можем наблюдать в пазлах, когда выемке одного элемента соответствует выпуклость другого).
Две полимерные цепи закручены в правильную двойную спираль. Внешне она напоминает веревочную лестницу, завитую в правую спираль. Ступенями в этой лестнице являются пары нуклеотидов, а связывающие их «боковинки» состоят из сахарофосфатного остова.
Последовательность пар нуклеоидов нерегулярна. То есть каждая ДНК отличается друг от друга именно этой самой последовательностью. Расположение парных оснований по цепи ДНК представляет собой код, определяющий тот порядок, в соответствии с которым производятся белки, производимые каждой клеткой.
