Джон Кейжу - Открытия, которые изменили мир Страница 49

Веха № 8

Как игрушка: секреты ДНК и наследственности наконец раскрыты

В 1895 г. Вильгельм Рентген изумил весь мир и произвел революцию в медицине первым своим снимком — жутковатой фотографией руки своей жены. Спустя 55 лет рентгеновский снимок снова изумил мир и вызвал революцию в медицине. Конечно же, снимок ДНК производил не столь сильное впечатление, как фото человеческой руки, и выглядел скорее как волны, которые идут от камня, брошенного в пруд, нежели «скелет» наследственности. Но как только эту странную схему удалось изобразить в виде двойной спирали ДНК — знаменитой структуры, напоминающей винтовую лестницу, которую ученый-биофизик Макс Дельбрюк однажды сравнил с «детской игрушкой, которую можно купить в скромном магазинчике за углом», — решение старой как мир тайны стало очевидным.

Для Джеймса Уотсона, аспиранта лаборатории Кэвендиш в Англии, конференция в Неаполе, которую он посетил в мае 1951 г., стала началом периода волнующих открытий. Он слушал выступление Мориса Уилкинса, уроженца Новой Зеландии, британского специалиста по молекулярной биологии в Королевском колледже в Лондоне, и был изумлен, когда тот показал слушателям рентгеновский снимок ДНК. И хотя сочетание расплывчатых серых и черных линий на фотографии было слишком неясным, чтобы определить структуру ДНК и уж тем более ее роль в наследственности, для Уотсона это фото стало потрясающей иллюстрацией того, как может быть организована молекула. Задолго до этого высказывалось предположение, что ДНК может иметь структуру спирали. Но когда Розалинд Франклин, еще один исследователь Королевского колледжа, представила более четкие изображения, на которых было видно, что ДНК может существовать в двух разных формах, разгорелся спор: спираль ли это вообще?

В конце 1951 г. Уотсон и его коллега Фрэнсис Крик начали работать над этой проблемой. Используя данные, собранные другими учеными, они создали картонные шаблоны различных компонентов ДНК и разработали модели, демонстриру­ющие возможную структуру молекул, однако они оказались ошибочными. Затем, в начале 1953 г., в ходе борьбы за возможность первым разгадать структуру, обстоятельства сложились так, что Уотсон посетил Королевский колледж, где Уилкинс показал ему недавно сделанный Розалиндой рентгеновский снимок — изумительное изображение, на котором были четко видны элементы спирали. Вернувшись в лабораторию Кэвендиш с этой новой информацией, Уотсон и Крик внесли изменения в свои модели, и к концу февраля 1953 г. ребус наконец сложился: молекула ДНК представляла собой двойную спираль, своего рода две винтовые лестницы, одна из которых шла вверх, а другая вниз. Молекулы сахарофосфатного остова, впервые определенные Фридрихом Мишером в 1869 г., формировали пару «перил», а пары азотистых оснований, описанные Чаргаффом (АТ и ЦГ), объединившись, образовывали «ступеньки».

Когда Крик и Уотсон опубликовали свои результаты в апреле 1953 г., их модель двойной спирали была воспринята как потрясающее достижение — не только потому, что она описывала структуру ДНК, но и потому, что она объясняла, как ДНК могла работать. Например, что именно представляет собой ген? В соответствии с новой моделью предполагалось, что ген (точнее, аллель гена) — это конкретная последовательность пар азотистых оснований внутри двойной спирали. И, учитывая длину спирали ДНК (как мы сейчас знаем, в каждой клетке около 3,1 млрд пар), азотистых оснований более чем достаточно для того, чтобы гены могли определять сырьевое вещество для живых организмов, включая наследственные признаки. Также модель предполагала, как эти последовательности АТ и ЦГ могут участвовать в создании других соединений: когда спирали раскручивались, то «оголенные» азотистые основания служили шаблоном для построения белков или — при подготовке к делению — новой ДНК.

Хотя Крик и Уотсон не уточнили все эти детали в своей работе, они отлично понимали значимость новой модели. «Мы не могли не заметить, что наличие пар [оснований] означает возможность копирования генетического материала». Позже, в другой работе, они дополнили эту мысль: «…таким образом, вероятно, что точная последовательность оснований — код, который несет генетическую информацию». Примечательно, что всего несколькими месяцами ранее Крик был куда менее осторожен. По рассказам очевидцев, он «заскочил» в местный паб и объявил, что он и Уотсон открыли «секрет жизни».

Веха № 9

Великий подсчет: сколько у человека хромосом?

К тому моменту, когда Крик и Уотсон обнаружили детали структуры ДНК в 1953 г., мир уже много лет знал, сколько хромосом в клетке человеческого организма. Впервые описанные в 1882 г. Вальтером Флемингом хромосомы — крошечные парные структуры, в которые закручивается, наматывается и заворачивается ДНК. В следующие несколько десятилетий о хромосомах узнали все. И хотя увидеть и сосчитать их было сложно из-за технологических ограничений того времени, к началу 1920-х генетик Теофилус Пэйнтер смело объявил число, которое по всему миру было признано универсальным, — 48.

Погодите — как так?

На самом деле только через 30 лет, в 1955 г., ученый индонезийского происхождения Джо-Хин Тио обнаружил, что в человеческих клетках на самом деле 46 хромосом (организованных в 23 пары). Этот вывод — явно вызвавший растерянность в научном сообществе в 1956 г. — был сделан благодаря технике, которая заставила хромосомы распределиться по предметному стеклу микроскопа, благодаря чему их было проще сосчитать. Вдобавок это открытие помогло определить роль клеточной генетики в медицине и привело к дальнейшим открытиям, которые связали хромосомные аномалии с конкретными болезнями.

Веха № 10

Расшифровка кода: от букв и слов к литературе жизни

Крик и Уотсон, возможно, открыли секрет жизни в 1953 г., но оставалась еще одна тайна: как клетки используют те самые «ступеньки» из пар оснований внутри спиралей ДНК, чтобы создавать белки? К концу 1950-х ученые частично обнаружили занятые в процессе механизмы — включая то, как именно молекулы рибонуклеиновой кислоты помогали «строить» белки, перемещая сырье внутри клетки. Но только спустя два года они наконец «взломали» генетический код и определили «язык», с помощью которого ДНК создает белки.

В августе 1961 г. американский биохимик Маршалл Ниренберг и его коллега Генрих Маттеи объявили об открытии первого «слова» в языке ДНК. Оно состояло всего из трех букв, каждая из которых представляла одно из четырех оснований, организованных в определенном порядке, и, в свою очередь, была кодом для других молекул, используемых для строительства белков. Так и был раскрыт генетический код. К 1966 г. Ниренберг определил 64 так называемых кодона, каждый из которых был представлен уникальным словом из трех букв. Каждое слово было затем использовано для создания 20 ключевых аминокислот, являющихся строительными кирпичиками белков. Из слов складывались предложения, а из этих белковых «предложений» складывалась история жизни: бесчисленные биохимические вещества, которые можно обнаружить во всех живых организмах, — от ферментов и гормонов, тканей и органов до наследственных черт, которые делают уникальным каждого из нас. За расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белков в 1968 г. исследователям была присуждена Нобелевская премия.

К началу 1962 г. новости о том, что «код жизни» расшифрован, разлетались по всему миру. Реакция общественности была ожидаемо полярной. В статье чикагского издания Sun-Times выражалась оптимистичная точка зрения о том, что благодаря этой новой информации «наука, вероятно, сможет разобраться в аномалиях структуры ДНК, которые становятся причинами рака, старения и прочих слабостей плоти». А один нобелевский лауреат по химии выступил с предупреждением о том, что новое знание может быть использовано для «создания новых болезней [и] контроля разумов».

К тому времени, конечно, Ниренберг уже все это слышал. В 1962 г. он написал Фрэнсису Крику, сухо заметив, что пресса «утверждает, будто [моя] работа может привести к 1) исцелению от рака и связанных с ним заболеваний; 2) появлению рака и концу человечества; 3) более глубокому знанию молекулярной структуры Бога». Правда, на все эти домыслы Ниренберг отреагировал со здравой долей юмора, добавив: «И все это за один день».

***

И вот, наконец, спустя тысячелетия обсуждений, ложных концепций и мифов, секрет наследственности, генетики и ДНК был раскрыт. Во многих отношениях этот прорыв был значительнее, чем можно себе вообразить. Благодаря появившимся «чертежам», молекулярным деталям нашего устройства, представленного на всеобщее рассмотрение и вывернутого наизнанку, люди стали иначе воспринимать все, что касается их самих и их жизни. В крошечных витках ДНК скрывалось объяснение абсолютно всего: приятных и не слишком черт, свойственных нам и нашим родственникам; происхождения здоровья и болезней; возможно, даже структурной основы добра, зла, Бога и космоса.