Помоги проекту - поделись книгой:
24 апреля 1953 года в английском научном журнале «Nature» («Природа») была напечатана статья, начинавшаяся словами: «Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес».
Так в генных исканиях открылась новая эра. Так наконец в центр поисков была поставлена открытая Мишером 84 годами ранее молекула ДНК. Авторами помянутой статьи были тогда мало кому известные англичанин Фрэнсис Харри Крик и американец Джеймс Дьюи Уотсон.
Уотсон родился в Чикаго в 1928 году, интерес к биологии ему привил его отец. Он дарил сыну книжки о птицах, брал с собой на прогулки за город. Из чтения в публичной библиотеке разных энциклопедий Уотсон узнал слово «эволюция», стал задумываться над тем, что же это такое — живые существа и откуда они взялись.
Окончил Чикагский университет (поступил в него 15 лет!), в 22 года стал доктором философии (по зоологии), но вовсе не зоология заставила Уотсона покинуть родной Чикаго и переехать в Англию, в тихий городок Кембридж. До этого учителями Уотсона были выдающиеся генетики — Мёллер, Сальвадор Лурия и Дельбрюк. «Сам Дельбрюк, — вспоминал впоследствии Уотсон, — увлекся биологией под влиянием Тимофеева-Ресовского. И если Лурия и Дельбрюк — мои отцы, то Тимофеев-Ресовский мой дедушка в ней».
Еще с университетской поры Уотсоном владело желание познать, что же такое ген. Эта жажда и привела его в кембриджский университет, где он стал соавтором выдающегося открытия, которое потом сделало его почетным членом многих иностранных академий, консультантом президента США по науке, дало ему широкие возможности для организации исследований по молекулярной генетике.
Уотсон прославился и своими резкими высказываниями о науке и ученых. Вот одно из них: «В науке нельзя добиться успеха, не усвоив той истины, что вопреки повсеместному убеждению, поддерживаемому газетами и любящими мамашами, изрядная часть ученых не только узколоба и скучна, но и просто глупа». Другая шокирующая его ученых собратьев возмутительная реплика такова. Уотсон утверждал, что было бы лучше, если бы ученые переставали заниматься наукой, когда им стукнет 40 лет, освобождая место молодым. Забавно: сам он именно в 40 лет, забыв о собственных словах, вместе с возглавляемым им научным коллективом занялся новой для него областью — проблемой рака!
Манера Уотсона высказываться напрямик о том, что его волнует, нажила ему не только множество врагов, но и друзей. В Кембридже он получил кличку «честный Джим». В 60-х годах Уотсон выступал с требованием прекратить все исследования, ведущиеся в США в области бактериологического оружия, и превратить военный химико-бактериологический центр Форт-Детрик в мирную лабораторию.
А еще Уотсона называли «счастливчик Джим». И не только потому что научная его судьба сложилась удивительно счастливо: лауреатом Нобелевской премии он стал в 34 года. Счастливой случайностью для этого тогда еще неоперившегося биолога стала встреча в Кембридже с физиком Фрэнсисом Криком.
Атмосфера научных исканий Уотсона и Крика и окружающих их людей нашла яркое отражение в нашумевшей некогда, быстро и неожиданно ставшей наряду с последними опусами Агаты Кристи и Сименона бестселлером, переведенной на множество языков (на русском вышла в 1969 году) книге Уотсона «Двойная спираль», где подробно описаны все перипетии открытия структуры молекулы ДНК. Эта книга, пожалуй, прославила на всех континентах Земли имена Уотсона и Крика больше, чем это сделали вместе взятые все их научные труды!
Уотсон начинает рассказ с того момента, когда осенью 1951 года, переплыв океан, он появился в знаменитой научными традициями Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и вошел в состав маленькой группы физиков и химиков (не генетиков!), изучавших пространственную структуру молекул белков.
В тот момент Уотсон был никому не известным, очень молодым задиристым иностранцем. Тогда еще никто из знавших его исследователей не подозревал, какие могучие шансы на успех дает Уотсону твердая вера в то, что гены — это вовсе не белок, как это принято было думать тогда, а молекула ДНК.
Особенный интерес для нас представляет набросанный в «Двойной спирали» портрет соратника Уотсона по изучению ДНК — Крика.
Крик родился в 1916 году, физик по образованию, степень бакалавра (во многих странах Запада это первое ученое звание, в средневековых университетах оно присваивалось студентам по завершении ими первого этапа образования: знак прохождения четырехлетней учебы в вузе, если по советским меркам) Крик получил еще в 1937 году. Во время войны работал в Морском министерстве, создавал радарные системы, средства защиты от немецких мин, с 1947 года стал работать в Кембридже, интересовался строением биологических полимеров — к ним относятся многие белки и другие важные молекулы живого.
Были тогда люди, которые сомневались в том, что научная удача еще улыбнется Крику. Известный физик Фримен Дайсон, к примеру, говорил, что ему жаль способного ученого, который упустил время, занимаясь военной наукой. А разница между военной наукой, добавлял Дайсон, и наукой вообще такая же, как между военной музыкой и музыкой, и что вряд ли выйдет что-либо путное из нового увлечения Крика биологией.
В «Двойной спирали» Уотсон утверждает, что-де бросить физику и заняться биологией Крика побудила книга Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Особенно та ее часть, где Шредингер излагал свои соображения о генах.
«В то время (в 1951 году. —
Обладая несомненным талантом юмориста, Уотсон дает Крику такие характеристики:
«Я никогда не видел, чтобы Фрэнсис Крик держался скромно. Может быть, где-нибудь такое с ним и бывает, но мне при этом быть не приходилось. И дело вовсе не в его нынешней славе…
Он говорил громче и быстрее всех, а уж когда он смеялся, то место его пребывания было известно всему Кавендишу…
Хотя обыкновенно он был вежлив и считался с коллегами, которые никак не могут понять подлинного смысла своих собственных последних экспериментов, но все же он никогда не скрывал от них этого факта. Почти тут же он предлагал множество новых опытов, которые подтвердили бы его интерпретацию. Более того, он никогда не мог удержаться, чтобы впоследствии не сообщать каждому встречному и поперечному, насколько далеко вперед могли бы продвинуть науку его мудрые идеи.
В результате все испытывали перед Криком тайный, но несомненный страх, особенно те, кому только еще предстояло утвердить свою репутацию. Быстрота, с которой он схватывал открытие или факты и пытался внести в них ясность, часто заставляла сжиматься сердца его приятелей, опасавшихся, что вот-вот он добьется успеха и раскроет перед всем миром скудоумие своих коллег…»
Принято считать, что наука требует огромного прилежания, колоссального терпения, верности одним и тем же изо дня на день, из месяца в месяц, а то и из года в год занятиям. Многие столпы науки и техники писали об этом. Знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847–1932) прямо указывал: «Гений — это на 99 процентов труд до изнеможения и на один процент игра воображения».
Практика Уотсона и Крика, их путь к открытию как бы опровергает подобные представления. После прочтения книги «Двойная спираль» остается странное впечатление. Уотсон вовсе не корпел с утра и до ночи над трудными экспериментами или же изнурительными расчетами. Он откровенно признается, что всячески увиливал от скрупулезной микробиологической работы в Европе, ради которой ему и выхлопотали стипендию его руководители в США. Он едет на конференцию в Италию, где отлынивает от заседаний и из наиболее интересного для него доклада Мориса Уилкинса выносит лишь сведения о том, что структура ДНК очень однообразна. А потом возвращается в Англию и здесь основное время тратит на прогулки по аллеям Кембриджа и нескончаемые беседы с неудачником Криком.
Как же тогда, спросит удивленный читатель, союз этих людей привел к едва ли не самому важному из открытий XX века?
А разгадка проста. Дело было в том, что в основе поисков Уотсона и Крика лежали очень простые соображения. Ученые понимали, по какой дорожке им следует идти, каких ориентиров придерживаться. Все это они узнали от их старшего собрата по науке американского физика и химика Лайнуса Полинга.
Нет, Полинг не делился с Уотсоном и Криком никакими секретами, более того, даже был их потенциальным соперником. Просто этот позднее удостоенный сразу двух Нобелевских премий: как выдающийся химик в 1954 году и как известный борец за мир в 1962-м, тогда, в 1951 году, только что разгадал структуру, устройство главного «каркаса» белков. Их основным компонентом стала α-спираль. Но главным, ободряющим, вдохновляющим обстоятельством для Уотсона и Крика стало даже не это, а то, как Полинг этого добился.
Послушаем, что по этому поводу писал в «Двойной спирали» Уотсон:
«Скоро я усвоил, что успех Полинга был делом простого здравого смысла, а не результатом каких-то сложных математических выкладок. В его рассуждениях иногда попадались уравнения, но в большинстве случаев и их можно было заменить словами. Ключом к удаче Лайнуса послужило его доверие к простым законам структурной химии. А-спираль была открыта не простым созерцанием рентгенограмм: главный фокус состоял в том, чтобы задать себе вопрос: а какие же атомы рядом с какими предпочитают сидеть? Основными рабочими инструментами были не бумага и карандаш, а набор молекулярных моделей, похожий на детский конструктор.
Мы (Уотсон и Крик. —
Революционное для биологии открытие было совершено в невзрачном домике, в комнатке, где едва помещались шкаф и два стола. Все было забито книгами, кристаллографическими моделями да стопками негативов. На них можно было увидеть темные пятна и полосы — это были рентгенограммы молекул ДНК.
Со стороны (могло показаться, что Уотсон и Крик действительно занимаются какой-то детской игрой. Или… разгадыванием объемного кроссворда, в котором на «вертикалях» и «горизонталях» много, очень много незаполненных клеток. Пользуясь вращающимися сочленениями, они соединяли окрашенные в разноцветные тона элементы, изготовленные из дерева, пластика, металла, в сложные сооружения, напоминающие скульптуры абстракционистов.
Надо было только угадать. Угадать, как природа соединила в цепочки четыре основных компонента, которые химики давно уже выделили из ДНК, установив их состав, — четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Как связаны они друг с другом двумя «склеивающими» элементами — сахарной и фосфатной группами?
Уотсон и Крик стремились так расположить соединенные проволочками, которые условно означали химические связи, шарики-атомы, все слагаемые модели, чтобы возведенная конструкция соответствовала рентгенограммам ДНК. Их для Уотсона и Крика получал английский физик, он тоже работал в Кембридже, Морис Уилкинс. Уроженец Новой Зеландии, ровесник Крика, специалист по рентгеновской кристаллографии, он во время войны был участникам совместного американо-английского атомного проекта, это занятие, признавался он после, намного снизило его интерес к физике, и он в послевоенные годы переключился на биофизические исследования.
Уотсон и Крик изрядно повозились. Они неустанно вращали отдельные части своей конструкции вокруг осей-проволочек, подгоняя свою «скульптуру» под данные рентгенограмм. И если соответствия не наблюдалось, приходилось разбирать модель и начинать ее сборку заново, уже в ином порядке. И так бессчетное число раз.
И все же конец этих комбинаторных исканий наступил. Однажды Уотсон и Крик обнаружили, что всем требованиям удовлетворяет модель, представляющая собой двойную спираль. Потому так и была названа книга Уотсона. Поиски можно было прекратить. Ученым повезло — они сравнительно быстро попали в точку: трудились, возясь с моделями, всего два года.
Можно было праздновать победу? Почить на лаврах? Все еще нет! И модель в виде двойной спирали, все ее детали были описаны в статье, опубликованной в «Nature», тогда, в далеком 1953 году, представлялись не более чем изящной и смелой до нахальства гипотезой.
В ней все требовало проверки. Двойная спираль? А почему не тройная, четверная?.. Произвольно ли чередуются в спиралях основные элементы — А, Г, Ц и Т? Или, как думали прежде многие, какие-то их комбинации, скажем, АТЦГ служат основными блоками и генетические послания заключены в формулах типа (АТЦГ)n, где n — неизвестные пока целые числа?.. В самом ли деле молекула ДНК закручена в спирали? Если да, то какие они — левые или правые?..
Поистине достойно удивления (недаром всё-таки Уотсона прозвали «счастливчик Джим»!), что фактически с первой попытки, занявшись молекулярным конструированием, Уотсон и Крик (много лет спустя на радостях свой дом в Кембридже Крик назовет Golden Helix — золотая спираль) поразили цель: в яблочко, в десятку! Ибо последующие детальнейшие проверки в основном подтвердили, а не опровергли их представления. Модель выдержала самые строгие экзамены. Среди экзаменаторов был и обойденный в этой научной гонке, главный соперник Уотсона и Крика — Лайнус Полинг. А высшей наградой для Уотсона, Крика и Уилкинса стало присуждение всей троице в 1962 году Нобелевской премии.
Она очень изящна, элегантна, просто очень красива, эта созданная природой за миллионы лет эволюции молекула. С чем ее сравнить? Может, со стройной новогодней елкой, увешанной хлопушками и блестящими шарами (их роль играют повторенные в различных комбинациях основания А, Т, Г и Ц — аденин, тимин, гуанин и цитозин)?
ДНК. В популярных изданиях эти молекулы часто еще сравнивают то с немыслимо длинными товарными поездами, составленными из вагонов четырех типов, помеченных литерами А, Т, Г и Ц, то со зданиями-небоскребами, сложенными из кирпичей четырех сортов. В таких сравнениях подмечено важное обстоятельство. Молекулы ДНК имеют огромную длину. ДНК — крупнейший из известных нам полимеров. Протяженность молекул наследственности в миллиарды раз больше ее толщины.
И еще одна полезная для запоминания «силуэта» ДНК параллель. Если умозрительно раскрутить уотсон-криковскую двойную спираль и уложить ее в плоскости, то эта молекула будет иметь вид веревочной лестницы, причем сахарá и фосфатные группы, превращающие ДНК в полимер, будут связывать узлы лестницы по ее длине, а несущие смысловую, информационную нагрузку основания А, Т, Г и Ц, разбившись на пары, создадут ступени этой воображаемой лестницы.
Цепь ДНК можно разбить на отдельные с особым своим смыслом отрезки. Каждый из них (важнейший итог исследований!) и представляет собой
Так удалось наконец в деталях и подробностях разглядеть то, о чем твердили Мендель, Морган и их последователи. Так были нарисованы портреты прежде почти мистического, абстрактного для классической генетики понятия «ген».
Глава 9
Подобно режиссеру фильма
Для бизнесмена или правительственного чиновника в промышленно развитых странах Запада слово «ДНК» становится столь же привычным, как «нефть» или «сталь».
Возраст жизни на Земле — сотни миллионов лет. К нам, в сегодняшние дни, жизнь пробивалась сквозь многие потрясения и катастрофы. Они стерли с лица планеты динозавров, мамонтов и других диковинных зверей. Но все-таки кое-какие следы древнейшей истории жизни сохранились. В куске каменного угля, извлеченного из недр, можно обнаружить отпечатки доисторического папоротника. В размолотом строителями валуне найти окаменевшие раковины моллюска. В выброшенных штормовыми волнами на песчаное побережье Балтики золотистых кусках янтаре, этой застывшей смоле реликтовых деревьев, порой удается разглядеть мумии насекомых.
Какой-нибудь запечатанный в янтаре комар являет собой удивительное зрелище! Подумать только: неисчислимое множество поколений отделяет его от современных сородичей, казалось бы, он обязан разительно отличаться от своих собратьев, родившихся в атомном веке. Так нет! Комар все тот же: природа пронесла облик насекомого из глубин тысячелетий в наше время почти неизменным. Различие, если оно и есть, кажется совершенно несущественным.
Как же природе удается из века в век репродуцировать, раз за разом повторять свои изделия? И не приближенно, не кое-как, спустя рукава, оставляя лишь главное, не заботясь о деталях, — а творить словно бы под копирку, добиваясь воспроизведения даже самых мельчайших особенностей и нюансов. Загадка? Величайшая! И слава науке, которая сумела эту тайну разгадать.
Суть секрета — в устройстве молекулы ДНК. В том, что у нее не одна, а именно две спирали.
А в самом деле, к чему излишества? Ведь и на одной спирали-ленте можно было бы записать всю наследственную информацию. Записать-то можно, трудно сохранить!
Уникальность ДНК в том и состоит, что в природе это единственная молекула, способная размножаться делением, воспроизводя себя, давая живым клеткам шанс непрерывно удваивать их число. А научной истиной это положение стало во многом благодаря исследованиям Эрвина Чаргаффа.
Чаргафф, австриец по национальности, родился в 1905 году в Австро-Венгрии в городе Черновцы, теперь это территория Западной Украины, окончил Венский университет, биохимик, работал в Берлине, с приходом нацистов перебрался в Париж, затем оказался в США, многие годы отдал изучению нуклеиновых кислот.
Чаргафф рос и воспитывался в атмосфере классической науки, материальные основы генетики тогда еще не были известны. Возможно, поэтому, отдав делу изучения ДНК и РНК так много времени, имея в этой области огромные заслуги, он с недоверием и даже с неприязнью встречал последние новшества молекулярной генетики.
Впрочем, предоставим ему высказаться самому: «…я разделяю ученых на два основных типа: одни — это более редкий тип — стремятся понять окружающий мир, познать природу; другие, которых куда больше, непременно хотят объяснить мир. Первые ищут истину, иногда вполне четко сознавая безнадежность своих попыток; вторые стремятся к законченной стройной и целостной картине мира. Первым мир открывается в его лирической напряженности, вторым — в логической ясности, и это они, вторые, — его владыки…» И дальше, более резко: «А теперь придется ввести еще одну подгруппу, может быть, самую влиятельную в биологии, — это те, которые хотят перекроить природу. Этих я не буду касаться, потому что убежден, что именно попытка преобразовать или перехитрить природу почти привела к ее гибели…»
А вот более грустное признание Чаргаффа: «…человек не может быть без тайны. Можно сказать, что великие биологи прошлого творили в свете самой тьмы. Нам уже не досталось ничего от этой благотворной ночи. Луна, на которую я в детстве любил смотреть по ночам, — такой луны уже нет на небе. А что последует за этим? Боюсь, что меня поймут неправильно, если я скажу, что в каждом из наших великих научно-технических подвигов человечество необратимо теряет еще одну точку соприкосновения с жизнью».
Пессимизм, возможно, природный, не мешал, однако, Чаргаффу быть великолепным исследователем. Он вспоминает, как в 1944 году поразило его сообщение Эвери, доказывающее вроде бы, что таинственные гены спрятаны в нуклеиновых кислотах. «Я был просто потрясен. Мне вдруг показалось, что я вижу неясные контуры грамматики биологии…»
Чаргафф тогда резко повернул руль своих научных поисков и занялся химией ДНК. И удача сопутствовала ему. Ученый доказал, что генетические буквы располагаются в спиралях ДНК строго попарно. Против аденина (А), расположенного на одной из спиралей, всегда находился тимин (Т), размещенный на другой спирали. Так же, словно взявшись за руки, вели себя и две другие буквы: гуанин (Г) обязательно располагался против цитозина (Ц).
Согласно Чаргаффу выходило, что в молекуле ДНК буквы алфавита подчиняются следующему математическому закону:
А + Г = Т + Ц.
Большое открытие! Оно сразу многое прояснило. Прежде всего, то, почему в генетическом алфавите
Стало ясным и то, каким образом удваивается молекула ДНК, плодя точные свои копии. Существование двух взаимосвязанных через дополнительные буквенные пары А — Т и Г — Ц спиралей, внешнее надстраивание на них дополняющих букв, позволяет природе легко размножать ДНК и клетки.
Процесс идет таким образом. Одна спираль, назовем ее нить А, воспроизводит дополнительную нить-спираль В, а нить В (вторая начальная спираль) — повторяет нить А. Вот так вместо одной возникают две молекулы ДНК, затем, если считать общее их число, — 4, 8, 16 и так далее — эстафета поколений! — в геометрической последовательности, до бесконечности. То есть до наших дней.
Репликация, удвоение ДНК идет с большой, прямо-таки пулеметной скоростью: до 500 букв за секунду у бактерий, до 50 букв у млекопитающих. Вот с какой сказочной быстротой совершается перепечатка громадного генетического архива. И это идет ежедневно, ежечасно, ежеминутно.
Тонкий процесс! Он поражает наблюдателя еще и своей точностью. Тем, повторимся, что какого-нибудь рачка, обитавшего в теплых морях палеозоя, очень трудно, не специалисту вообще невозможно, отличить от его нынешнего потомка.
Опечатки? Они, конечно, случаются. Без этого нельзя. Точно установлено учеными: при копировании ДНК человека, например, когда в каждой спирали содержится несколько миллиардов букв, число ошибок достигает десятков тысяч (!) на каждое клеточное деление.
И это не самые страшные для живой материи факты. Живая клетка, а вместе с ней и ДНК, часто оказываются под грозным воздействием ультрафиолетовых, рентгеновских и прочих вредных излучений. Спирали ДНК корежат, «выбивая» буквы, и различные попадающие в клетку химические агенты. Но даже если внешняя среда чиста, то и тут искажения в ДНК имеют место, на этот раз уже самопроизвольные, вследствие тепловые ударов. Подсчитано, что при 37 градусах Цельсия в среднем ДНК клетки теряют до 20 букв-оснований (в промежутках между двумя делениями).
Но как же тогда понимать, спросит удивленный читатель, примеры с комаром в янтаре, с прапрарачком, о которых упоминал автор? Что же гарантирует почти вечную повторяемость живого? Где истоки столь полезной для жизни консервативности ее форм?
Вначале генетики думали, что постоянство — это-де особое свойство генов, которые не подвержены никакому влиянию внешних воздействий. Но тогда, спрашивается, как же можно совместить с этим огромную гибкость, подвижность, удивительную приспособляемость, явную тягу живой материи к обновлению?
Страстные дискуссии продолжались и после открытия Уотсона и Крика, когда структура ДНК обнажила свои очертания. Не сразу ученые догадались о существовании в клетке специальной
Кстати, тут еще раз проявило себя значение двунитчатости ДНК. Она необходима не только для создания идентичных копий генетического материала, но и для пущей — с запасом! — сохранности записанной в ДНК информации, ибо повреждения редко затрагивают сразу
Кто же взял на себя в клетке роль мастеров-ремонтников? Особые белки-ферменты, названные рестриктазами и лигазами.
Рестриктазы рвут, разрезают, последовательность букв в ДНК, но делают это не как попало, а лишь в тех местах, где имеется сочетание строго определенных букв, узнаваемых только данной рестриктазой. Арсенал рестриктаз постоянно пополняется и включает уже более 400 наименований. Любопытно, что рестриктазы открыли в известной мере случайно, ища ответ на совсем другой вопрос: пытаясь понять, как клетке удается расправляться с проникшими в нее вместе с бактериями или вирусами чужеродными ДНК.
Вот так стала ясна кухня «рубки» молекул ДНК на части. И тут же появились сомнения: а не разбегутся разрезанные куски в разные стороны, не затеряются ли? Как-то их потом соберешь? Как удается клетке собрать из обрезков ДНК нечто для нее полезное?
Поделиться книгой: