Двое учёных из Кембриджа одержали блистательную победу, открыв структуру молекулы ДНК – основы всего живого на Земле.


Вначале весны 1953 года ученые в Кембридже, Лондоне и Калифорнии были близки к одному из величайших открытий в биологии: разгадке структуры генетического материала – дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК. Уже было известно, что ДНК заключает в себе генетическую информацию, которая переходит из поколения в поколение во всех живых формах. Чтобы понять, как это происходит, было необходимо определить саму структуру ДНК.
Молодой американский ученый Джеймс Уотсон, работавший в лаборатории Кавендиш в Кембридже вместе с английским физиком Фрэнсисом Криком, понимал всю важность проводимых исследований. Это было необычное партнерство. 25 – летний Уотсон был своего рода вундеркиндом: в 15 лет он поступил в Чикагский университет, а в 22 получил докторскую степень; Крик, который был старше на 10 лет, тоже считался блестящим ученым, что ему еще предстояло подтвердить. Война прервала на время его карьеру, и он работал над докторской диссертацией. Самоуверенность и громкий смех Крика раздражали некоторых его коллег.
Вскоре в лаборатории Кавендиш было сделано важнейшее открытие XX в., совершившее настоящий переворот в современной биологии. При новом руководителе сэре Лоуренсе Брэгге ученые сосредоточили внимание на использовании рентгеновских лучей для исследования структуры молекул.
Задача была невероятно трудной, поскольку молекулы живых организмов большие и сложные. Рентгеновская же установка выдавало не полную картину, а лишь отрывочные данные. При этом информация собиралась не в Кембридже, а в лондонском Королевском колледже; там Морис Уилкинс и Розалинда Франклин получали рентгеновские изображения, которые показывали ряды неясных, расплывчатых точек, обозначавших, каким образом рентгеновские лучи преломлялись при прохождении через кристаллы ДНК.
По джентльменскому соглашению английских ученых, Уотсон и Крик должны были бы оставить собственно открытие структуры Уилкинсу и Франклин, поскольку ДНК была «их» молекулой. Однако всем было известно, что Уилкинс и Франклин недолюбливали друг друга, и команда из Кембриджа решила, что проблема ДНК слишком важна, чтобы передать ее решение такому недружному коллективу. Лайнус Полинг в Калифорнии все ближе и ближе продвигался к открытию, и премия могла уплыть за океан.
Во время вечеринки в Тринити – колледже в Кембридже Крик спросил Уилкинса, не возражает ли он, если они в Кавендише попытаются сделать модель ДНК. Поколебавшись, Уилкинс согласился и в январе 1953 года передал Крику и Уотсону одну из лучших рентгенограмм, полученных к тому времени Розалиндой Франклин.
Уотсон и Крик верили, что молекула ДНК почти наверняка имеет форму спирали или штопора. Еще раньше Крик доказал математическим путем, что спиралевидная молекула на рентгеновском снимке должна иметь форму креста. Именно этот крест был отчетливо виден на рентгенограмме Франклин. Но одних снимков было недостаточно. Они давали лишь общее представление о форме молекулы, эти выводы должен был дополнить всесторонний химический анализ.
В 1952 году химик из Кембриджа Александр Тодд завершил начатые другими учеными исследования в этой области. Результат анализа со всей убедительностью показал, что длинные цепи из сахаров и фосфатных групп составляли «хребет» молекулы ДНК. К нему прикреплялись азотистые основания – аденин, гуанин, тимин, цитозин – плоские, в виде колец молекулы, содержащие углерод и азот. Оставалось только установить, как эти цепи располагались относительно друг друга.
Надо было еще учесть и следующую информацию: как установил американский биохимик Эрвин Чаргафф, в каждой молекуле ДНК количество аденина всегда равнялось количеству тимина, а кол – во гуанина было таким же, что и цитозина.
Уотсон и Крик принялись методично строить трехмерные модели. Прорыв в исследованиях произошел 28 февраля 1953 года, когда Уотсон понял, что пара аденин – тимин, сцепленная слабыми водородными связями, имеет ту же форму, что и сцепленная таким же образом пара гуанин – цитозин. Эти «базовые пары» и могли формировать центральную ось структуры, которая с внешней стороны имела сахарофосфатный «хребет». К тому же подобное сцепление как раз подтверждало открытие Чаргаффа.
В течение нескольких недель Уотсон и Крик создали модель, на которой было показано, что компоненты ДНК действительно сцеплены так, как это предположил Уотсон.
25 апреля 1953 года в научном журнале «Нейчур» («Природа») была опубликована короткая, из 900 слов, статья. В ней предлагалась структура двойной спирали: две скрученные вместе спирали скрепляются двумя типами пар оснований аденин – тимин и цитозин – гуанин. В сдержанном примечании к статье по настоянию Крика они написали: «От нашего внимания не ускользнуло, что специфическое парное соединение подводит к мысли о механизме копирования генетического материала».
Как только была признана точность структуры, посыпались все новые и новые открытия, их поток не уменьшается до сих пор. Через 9 лет Уотсону, Крику и Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.



Так почему важна структура ДНК?
Существование различных видов жизни, казалось бы, отрицает саму идею ее единства. Благодаря открытию структуры ДНК стало понятно, каким образом возникло множество жизненных форм. Главными строительными блоками живого организма являются белки, образующие 20 разных аминокислот в разной последовательности. Существуют тысячи возможных вариантов их соединений, дающих тысячи разных белков. Но, как и что определяет ту или иную последовательность аминокислот и состав белка?
В клетке должен быть «рецепт», содержащий инструкции. В случае со спермой и яйцеклеткой информация должна быть достаточно ясной, чтобы передать характерные черты родителей их отпрыску. Вначале не укладывалось в сознании, как что-то невидимое в сперме может нести такую подробную информацию.
К 1950 г. уже было установлено. Что молекула ДНК (впервые открытая Фридрихом Мишером в 1869 г. как часть ядра клетки) – тот материал, который контролирует производство белков и наследственные черты всего живого.
Как ДНК передает информацию?
Открытая Уотсоном и Криком структура ДНК подсказала, каким образом при делении клетки происходит передача наследственной информации и как ДНК определяет структуру белков организма.
Крик понял, что двойная спираль содержит потенциал для деления, заключающийся в раскручивании и разделении на две отдельные цепи; при этом парные основания также разделяются. Каждая отдельная спираль может затем формировать комплементарную последовательность оснований, перенося генетическую информацию дочерней клетке и создавая новую двойную спираль, идентичную первой. Так одна клетка превращается в две, каждая из которых содержит идентичную последовательность ДНК.
Разгадка структуры ДНК открывала массу новых возможностей в 1958 году Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь из Калифорнийского технологического института подтвердили. Что ДНК действительно делится именно так, как было подсказано ее структурой.
Структура подсказала и еще одну возможность. Расположение парных оснований по цепи ДНК представляет собой код, определяющий тот порядок, в соответствии с которым синтезируются аминокислоты, производимые каждой клеткой. Последовательность 4 оснований составляет комплект из 4 букв, который служит для образования 20-буквенного алфавита белков. Каждая группа из 3 оснований, называемая кодоном, представляет собой одну из аминокислот. 64 типа построения 4 оснований в кодоны определяют построение 20 аминокислот, образующих белок.
К 1966 г. генетический код был разгадан, и многочисленные опыты безошибочно показали, что он применим ко всем формам живого.



Какую пользу принесли исследования ДНК?
Разгадка генетического кода объяснила истоки наследственных болезней. Единственной ошибки в порядке построения ДНК может быть достаточно, чтобы прервать процесс образования нормального белка. Причина серповидной анемии клетки, например, в простой замене глутаминовой кислоты на валин в последовательности аминокислот, составляющих белок гемоглобин. Это может произойти из-за одной-единственной ошибки в гене гемоглобина.
Всего у человека приблизительно 100 000 генов. В структуре которых может встречаться, по меньшей мере, 12 ошибок, возникающих, как правило, случайно. Большая часть этих ошибок не имеет серьезных последствий, однако некоторые вызывают генетические болезни. Пренатальное (дородовое) исследование может заблаговременно показать родителям, унаследовал ли их младенец ту или иную генетическую болезнь.
Современный уровень генетики дает шанс исправлять ошибки, вызывающие генетические болезни. Генная терапия выявляет дефектный ген и предлагает целый арсенал средств, позволяющих его исправить. Затем путем инъекции пациенту клеток, содержащие исправленные гены, симптомы болезни могут быть смягчены или устранены совсем. Однако такие пациенты все равно будут нести дефектный ген в сперме или в яйцеклетке, хотя сами могут жить нормальной жизнью. Первые эксперименты с генной терапией уже проводятся в СФА. Правда, пока ни одну из серьезных генетических болезней не вылечили с помощью генной терапии.
Открытие того, как клеточная информация «записана», создает возможность внесения изменений в эту «запись», позволяет ее «редактировать». Этот процесс получил название генной инженерии. Впервые ею стали заниматься в 70-е годы прошлого столетия. Технология, названная рекомбинацией ДНК, включает в себя вырезание последовательности из гена и введение другой последовательности, либо созданной синтетически. Либо взятой из другого вида.
Например, если человеческий ген, в котором закодирован инсулин, извлечь и ввести в ДНК бактерии, то через какое-то время бактерия будет производить инсулин наряду со своими собственными продуктами. Поскольку бактерии размножаются с неимоверной быстротой, получается, что они будут превращены в миниатюрную фабрику по производству полезного белка.
Другой вариант: гены, стойкие к вредителям или засухе, могут быть введены в наследственный код культурных растений. Можно вырастить зерновые, которые станут получать азот прямо из воздуха и не будут нуждаться в удобрениях. Затем могут быть получены генетически идентичные копии – клоны – полезных растений или животных (удачные опыты в этой области уже осуществлены в Англии). В конечном счете, с биологической точки зрения нет препятствий и для клонирования людей.


Какие опасности таит генная инженерия?
Впервые тревога по поводу возможных побочных эффектов генной инженерии прозвучала на конференции в Калифорнии в 1975 г. были высказаны опасения, что генетически измененный организм может оказаться за стенами лаборатории и создать угрозу обществу. Тогда же были выработаны принципы и правила, неукоснительное соблюдение которых должно было минимизировать риск.
Но самое большое беспокойство связано с тем, что разгадка генетического строения человека может подорвать тайну жизни и существование свободной воли. Если все определяют гены, то что остается людям для принятия собственного решения? Мораль, официальная философия и религия наравне с наукой вовлечены в полемику об основополагающих истоках жизни и смерти.