Глава I. За сто лет до сенсации

Не так давно известный биохимик М. Перутц в шутку уверял, что в экзаменационном билете по молекулярной биологии в 2000 году можно будет встретить такой вопрос: "Горох обычно завивается вокруг подпорки спиралью, закрученной вправо. Какие генетические изменения необходимы для того, чтобы горох закручивался в противоположную сторону?"

Таким образом ученый полагает, что в недалеком будущем знание механизмов наследственности станет азбучной истиной и войдет в учебники.

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты служит основой наследственности. И чтобы управлять наследственностью, надо многое знать о строении, синтезе, распаде и обмене этой удивительной молекулы. И пожалуй, главное - научиться понимать, каким образом происходит передача наследственных признаков.

Одно из самых значительных открытий в биологии XX века - разгадка структуры молекулы ДНК, хранящей информацию о наследственных признаках организма,- поражает своей логичностью. История этого открытия, которое потрясло мир, на редкость поучительна. Первый решительный шаг был сделан больше ста лет назад в Германии швейцарским исследователем. И, как часто бывает с большинством открытий, о нем сначала знала только небольшая горстка ученых. Обыватели в чистеньких немецких и швейцарских городках продолжали заниматься своими каждодневными, житейскими делами. Научных журналов они не читали, а научно-популярная литература еще не вошла в моду. Да что там обыватели. Сам автор открытия Ф. Мишер не смог бы даже предположить, к каким научным потрясениям приведут начатые им работы через сто лет.

Ф. Мишер родился в семье врача, который работал в швейцарском городе Базеле. Получив ученую степень, Ф. Мишер направился в Германию. Здесь он изучал органическую химию, а затем специализировался в лаборатории известного немецкого биохимика Э. Гоппе-Зейлера.

За сто лет до сенсации

Первая в мире биохимическая лаборатория размещалась в средневековом замке, одиноко стоявшем на холме над рекой. Закопченные сводчатые потолки и узкие щели каменных окон придавали комнатам мрачноватый вид. Впоследствии Ф. Мишер часто рассказывал студентам, что его рабочее место очень напоминало обстановку алхимика средних веков, пытавшегося превратить свинец в золото.

Ф. Мишер был пытливым исследователем. Объект его работ был прозаичен. Более того, непосвященным он показался бы просто неприятным. Короче говоря, Ф. Мишер работал с ядрами клеток, полученных из гноя.

В 1868 году ученый открыл новый класс биологически важных органических соединений, которые содержали в своем составе углерод, фосфор и азот. Кроме того, эти соединения обладали кислотными свойствами. В своем лабораторном журнале Ф. Мишер записал: "Согласно известным гистохимическим данным я должен отнести полученный материал к ядрам клеток... Следовательно, я фактически пытался выделить материал ядер". Во времена Ф. Мишера латынь была языком ученых. Ядро клетки по-латыни - "нуклеус". Поэтому автор назвал свое детище нуклеином, то есть выделенным из ядра.

Открытие нового соединения показалось руководителю лаборатории настолько необычным, что он решил собственными руками повторить работу своего сотрудника. Э. Гоппе-Зейлер дорожил высокой научной маркой своей лаборатории. Тщательные исследования велись в течение нескольких лет. Они полностью подтвердили правильность открытия Ф. Мишера. Только через три года Э. Гоппе-Зейлер решился опубликовать эти работы. Пройдя в лаборатории Э. Гоппе-Зейлера отличную биохимическую стажировку, Ф. Мишер провел следующий год в Лейпцигском университете, в лаборатории другого известного ученого, К. Людвига. В то время его лаборатория считалась крупным центром физиологических исследований. Вернувшись в родную Швейцарию, Ф. Мишер выполнил одну из своих лучших работ. Он провел химический анализ нуклеина, выделенного из молок лосося.

В то далекое от нас время воды Рейна были еще очень чистыми, а не загрязненными, как сейчас, отходами заводов и канализационными стоками. Рыба с охотой шла на нерест из моря, и промысел лосося процветал.

Ф. Мишер работал как одержимый, на редкость много. Он считал, что его детище, его нуклеин, надо получать при низкой температуре. Поэтому ученый экспериментировал осенью и зимой, всегда в неотапливаемом помещении, с пяти часов утра до позднего вечера. Титаническая деятельность подорвала его здоровье, и на пятьдесят втором году жизни Ф. Мишер умер от воспаления легких.

Незадолго до начала нового века соединение, выделенное Ф. Мишером, получило знакомое сегодня каждому грамотному человеку название нуклеиновой кислоты.

По иронии судьбы в жизни нуклеиновой кислоты вскоре после ее рождения наступил растянувшийся на десятилетия период глухой безвестности. Медленно, очень медленно накапливались новые сведения об открытом соединении. И пожалуй, самое главное - никто не понимал, какую биологическую роль играют нуклеиновые кислоты в живом организме.

Доброжелательное знакомство с историей развития исследований нуклеиновых кислот свидетельствует, что это было постепенное познание механизмов ее действия; поэтапное изучение ее структуры и функции. В течение долгих лет и десятилетий исследование шло по линии накопления больших и маленьких фактов. Практический выход таких работ был нулевым. Более того, его невозможно было предвидеть.

За сто лет до сенсации

Знакомство с нуклеиновыми кислотами лучше всего начинать с изучения их строения. Можно сказать и так: с биохимической азбуки.

Но все по порядку.

В русском алфавите 32 буквы. Много это или мало? Что за вопрос, скажет благоразумный читатель. Это количество вполне удовлетворяло таких гениев русского языка, как А. Пушкин, Л. Толстой... Аксиома не требует доказательств.

А можно ли объясняться с исчерпывающей полнотой, если знаков будет значительно меньше? Например, два.

Конечно, можно. Азбука Морзе. Точки и тире достаточно, чтобы поговорить по широкому кругу вопросов.

Ну а каков алфавит в молекулярной биологии и генетике?

Нуклеиновые кислоты - это содержащие азот органические соединения с большим молекулярным весом. Если расщепить молекулу нуклеиновой кислоты на составные части, то получится не так уж много значительно более простых соединений, молекулярный вес которых будет, естественно, значительно меньше. Каждое из них имеет достаточно короткое и простое имя, чтобы его можно было запомнить. Вот эти соединения. "Великолепная пятерка" азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил. Потом сахар. Но не тот, что стоит в сахарнице на обеденном столе. И все же сахар, имеющий собственное имя,- рибоза. Наконец, остаток фосфорной кислоты.

Все перечисленные соединения - простейшие кирпичики, из которых строится грандиозное по размеру и удивительное по конструкции здание высокомолекулярной нуклеиновой кислоты.

Существуют так называемые дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты. Даже специалистам биохимикам эти названия кажутся длинноватыми и не очень удобными для повседневного употребления. Поэтому первую обычно называют сокращенно - ДНК, а вторую - РНК. Между ними существует различие. Тимин встречается главным образом в ДНК, а другое азотистое основание - урацил находится только в РНК. Зато три других основания - аденин, гуанин и цитозин входят с одинаковым успехом в молекулу ДНК и РНК. Наконец, обе молекулы различаются и своими углеводными остатками. В РНК находят углевод рибозу, а в ДНК - дезоксирибозу.

Если азотистое основание соединено с углеводом, то такое соединение называют нуклеозидом. Стоит к такому нуклеозиду присоединиться остатку фосфорной кислоты, как образовавшееся вещество начинает называться нуклеотидом.

Научная терминология - вещь удобная, но если можно объясняться более простым языком, то к этому всегда нужно стремиться. Биохимики поняли это давно, и поэтому все пять азотистых оснований в чисто научных книгах и в журнальных статьях изображают заглавными буквами русского алфавита. Аденин - это А, Г - гуанин, Ц - цитозин, Т - тимин, У - урацил. Структура и биологические свойства нуклеиновых кислот определяются их химическим составом, количественным соотношением азотистых оснований и последовательностью соединения соответствующих нуклеотидов.

Прошло не два и не три десятилетия после дня рождения нуклеина и именин нуклеиновых кислот. И наконец стало ясно, что нуклеиновые кислоты, выделенные из клеток жизотных, птиц, рыб, растений, различных представителей живых организмов, разнятся по своему нуклеотидному составу.

Много крупных ученых в разных лабораториях исследовали нуклеотидный состав живых организмов. Работа эта была поистине титанической. Известные советские ученые - академик А. Белозерский, академик А. Спирин и другие внесли в эту работу значительный вклад.

Опубликованные в 1962 году данные А. Спирина о нуклеотидном составе ДНК и РНК у разных организмов и сегодня производят внушительное впечатление. Был изучен нуклеотидный состав у человека, быка, мыши, курицы, осетра, морского ежа, осьминога, тутового шелкопряда, у таких высших растений, как пшеница, лук, фасоль, папоротник, сосна. Определили нуклеотидный состав у грибов, например известных всем грибникам на нашей планете - шампиньонов. Нуклеотидный состав исследовали у десятков видов бактерий и вирусов.

Очень важна последовательность, в которой располагаются нуклеотиды в огромной по длине молекуле нуклеиновой кислоты. Чтобы определить последовательность нуклеотидов в ДНК или РНК, надо научиться осторожно "скалывать" их с конца молекулы нуклеиновой кислоты. Задача эта в высшей степени непростая. Молекулярный вес нуклеиновой кислоты может исчисляться сотнями тысяч и выше. И построены нуклеиновые кислоты главным образом из четырех нуклеотидов разных типов. Из этого следует, что именно последовательность нуклеотидов определяет все основные свойства молекул ДНК и РНК.

Осторожное "скалывание" нуклеотидов - самая настоящая ювелирная работа. Существуют приемы, с помощью которых проводят эту операцию. Например, можно подвергнуть ДНК мягкому гидролизу, или, проще говоря, воздействовать на нее слабой кислотой.

Для работы с РНК используют другие приемы. Можно подобрать такие ферменты, такие ускорители биохимических реакций, которые способны действовать только на совершенно определенные химические связи между нуклеотидами. Иными словами, одним "ферментативным ключом" открыть ряд одинаковых "химических замков".

Итак, дело сделано, молекулы ДНК или РНК разрезаны на сравнительно мелкие кусочки. Конечно, они имеют и собственные названия. Биохимик или химик в этом случае скажет: "Мы получили смесь мононуклеотидов и олигонуклеотидов". Теперь смесь нужно разделить на составные части. Для этого можно воспользоваться хорошо разработанными методами.

Один из них - хромография на бумаге. Если анализируемую смесь нанести на "старт", а затем бумагу медленно промыть смесью различных растворителей с некоторыми добавками (примером такой смеси может служить раствор изопропилового спирта, соляной кислоты и воды), молекулы разных соединений застрянут в различных участках бумаги. После хроматографирования "застрявшие" в разных местах бумаги химические соединения удаляют, например, с помощью воды или других растворителей. Собрав отдельные мононуклеотиды или олигонуклеотиды, исследователь может определить их химические и физико-химические свойства и выяснить, с каким конкретным соединением имеет дело. И конечно, не надо забывать самого главного. Очередность высвобождения нуклеотидов из молекулы ДНК или РНК указывает, в какой последовательности они там были соединены.

Определение последовательности нуклеотидов всегда сталкивается с большими трудностями. Действительно, если молекулярный вес составляет несколько сот тысяч или миллионов, то даже неспециалисту ясно, сколько мелких "осколков" можно получить из нуклеиновой кислоты. Правда, некоторые из рибонуклеиновых кислот обладают значительно меньшим молекулярным весом. Например, так называемая транспортная РНК имеет молекулярный вес порядка 30 тысячей состоит из 100 нуклеотидов.

За сто лет до сенсации

Логично предположение: последовательность нуклеотидов в ней определяется легче. Так оно и случилось, только легкость оказалась весьма относительной. В 1963 году была опубликована работа Д. Кантони и сотрудников, в которой они сообщили: установлена возможная первичная структура РНК, которая транспортирует аминокислоту серии в дрожжах. Прошло три года, и известный биохимик Р. Холли удивил научный мир своим сообщением. В результате чрезвычайно трудоемких исследований он вместе с сотрудниками установил последовательность нуклеотидов в так называемой аланинтранспортной РНК. Иными словами, в РНК, которая переносит другую аминокислоту - аланйн.

Блестящие работы по изучению строения и функции другой транспортной РНК - валиновой были проведены академиком А. Баевым, его учениками и сотрудниками. Эта РНК переносит аминокислоту валин к месту, где строится белковая цепь. Исследования начались в 1963 году, а через четыре года химическое строение этой РНК было разгадано. Оказалось, ее молекула состоит из 77 нуклеотидов, расположенных в строгой последовательности.

Конечно, определение последовательности нуклеотидов только один из первых шагов к разгадке "секретов" макромолекул. Но именно расшифровка строения валиновой РНК позволила академику А. Баеву и его коллегам перейти к изучению функций этих удивительных молекул.

Разгадка последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК оказалась еще более сложной задачей. Вед1 ДНК имеет значительно больший молекулярный вес, а значит, нуклеотидов существенно больше. К этой трудности добавлялась еще одна. Отсутствовали достаточно удобные методы разделения ДНК на химически однородные молекулы.

Штурм нуклеиновой крепости давался ученым нелегко.

Попробуем написать какую-нибудь известную со школьных лет фразу слитно, не разделяя ее на отдельные слова:

встосороксолнцзакатпылалвиюлькатилосьлето. В таком виде прочитать ее непросто. Накопив определенный багаж знаний, мы без труда расшифровываем содержание словесного ребуса: "В сто сорок солнц закат пылал. В июль катилось лето".

Если бы ученые научились разбивать чрезвычайно длинную молекулу нуклеиновой кислоты на отдельные "слова", то, вероятно, скорее бы удалось понять смысл того, что записано в этой "фразе" ДНК. Но долгое время не находили фермента, способного расщеплять длинную "фразу" ДНК на отдельные "слова". И вот совсем недавно такой фермент эндонуклеаза IV был найден.

Эндонуклеаза IV оказалась очень удобным ферментом. Она всегда разрывала молекулу ДНК в строго определенных местах - только между тимином и цитозином. Иными словами, эндонуклеаза действовала между Т и Ц.

Если молекулу ДНК обрабатывали этим ферментом, то получали смесь фрагментов. Казалось бы, дело сделано: длинная фраза разбита на отдельные слова. Но вот в чем трудность. Откуда, с какого именно "слова" начинать чтение. Значит, необходимо выделить из большого числа похожих фрагментов молекулы какой-то один.

Английский ученый Э. Зифф и его коллеги так и поступили. В своей лаборатории в Кембридже они обработали молекулу ДНК эндонуклеазой IV и получили три больших фрагмента молекулы, состоящие из 48, 35, 13 нуклеотидов. Эти соединения снова подвергли воздействию фермента. И получили "слова", состоящие всего из пяти и восьми нуклеотидов.

Потом исследователи взяли другой фермент, экзонуклеазу. Этот фермент последовательно "состругивал" один нуклеотид за другим. Полученные "стружки" подвергались хроматографическому анализу. Теперь уже экспериментатор знал, с чем он имеет дело. Шаг за шагом, нуклеотид за нуклеотидом читалось биохимическое "слово". Конечно, сначала короткие "слова". В 1973 году были расшифрованы 99 нуклеотидов молекулы ДНК такого простейшего организма, которым является фаг.

Обратите внимание - простейшего. Когда вы прочитаете эти строчки, наука уйдет далеко вперед. Эти данные будут представлять, пожалуй, уже исторический интерес. Но прошедшие события по-прежнему будут свидетельствовать о трудных дорогах познания уникальной молекулы ДНК.