Предположение об участии ДНК в передаче наследственных свойств впервые было высказано после опытов по так называемой бактериальной трансформации. Из активных вирулентных пневмококков, возбудителей пневмонии, имеющих особую оболочку-капсулу, выделили ДНК и ввели ее в питательный раствор, где развивался бескапсульный авирулентный тип пневмококка. Через некоторое время у пневмококков появились капсулы, а также свойство вызывать заболевание. В дальнейшем эти приобретенные свойства пневмококк передавал по наследству из поколения в поколение,
В других опытах ДНК получали из бактерий, устойчивых к пенициллину и стрептомицину, и добавляли её к бактериям, чувствительным к этим антибиотикам. Под влиянием ДНК определенное количество бактерий приобретало, а затем и передавало по наследству устойчивость к пенициллину и к стрептомицину. Так еще раз было доказано, что ответственной за изменчивость микроорганизмов является ДНК.
Большой интерес представляют опыты по синтезу ДНК вне организма. Если в раствор, содержащий типичные для ДНК нуклеотиды, добавить белок-фермент и ничтожное количество самой ДНК, то всегда начинается синтез новых молекул ДНК, и количество ее увеличивается. При этом было установлено, во-первых, что без ДНК синтез не происходит, а, во-вторых, в этих опытах всегда синтезировалась та ДНК, которую вносили в раствор.
Например, добавляя в раствор ДНК туберкулезной палочки, ученые получали новую ДНК, по химической структуре и составу характерную для ДНК туберкулезного микроба. Добавляя ДНК тканей какого-либо животного или растения, ученые всегда получали именно ту ДНК, которую вносили в качестве «затравки».
Так был поставлен один из самых удивительных опытов последнего времени. Трое ученых во Франции — Бенуа, Леруа и Вандрелли — получили ДНК из тканей уток одной породы и ввели ее в кровь уток другой породы, отличающейся от первой окраской клюва и лапок. Потомство уток, которым ввели ДНК, приобрело окраску клюва и лапок, характерную для птиц, у которых была взята ДНК.
К сожалению, этот опыт пока что не удалось повторить ни его авторам, ни другим ученым. В этом нет ничего удивительного. Ведь сегодняшний этап в изучении роли нуклеиновых кислот в организме — самый первый, начальный этап. Каждый год, каждый месяц, каждый день приносит много фактов, раскрывающих новые, ранее неизвестные свойства нуклеиновых кислот.
Неоценимое значение одного из основных свойств ДНК — сохранять и передавать наследственные признаки — заключается в том, что благодаря ему ДНК становится как бы законодателем для белков. А ведь именно белки являются носителями жизни, строительным материалом организма. Поэтому так важно сохранить постоянными их строение и свойства. И в этом отношении весьма интересны работы по изучению рибонуклеиновой кислоты.
Физиологическая роль рибонуклеиновой кислоты начинает вырисовываться в самое последнее время. Давно уже было замечено, что количество РНК в клетках разных тканей неодинаково. В больших количествах она обычно накапливается в тех клетках и тканях организма, для которых характерна большая активность в процессах роста и размножения, то есть процессах, сопровождающихся интенсивным синтезом белка. Например, РНК очень много в поджелудочной железе, где образуется ряд белковых ферментов, в том числе инсулин, в гипофизе — железе внутренней секреции, которая выделяет в кровь ряд жизненно важных белковых гормонов. РНК много и в шелкоотделительной железе шелкопряда, а ее единственное назначение — образование шелка — белка. РНК всегда много там, где синтез белка осуществляется в больших масштабах. Такие же органы, как, например, мышцы, почки, которые обладают большой физиологической активностью, но характеризуются незначительным синтезом белка, содержат мало РНК.
Все это позволило ученым предположить, что РНК связана с синтезом белка. И действительно, ряд экспериментов показал, что если тем или иным способом нарушить целостность РНК в клетке, то тут же нарушается и синтез белка. Совершенно естественно задать вопрос: «Если РНК столь необходима для синтеза белка, то какое участие она принимает в этом сложном процессе?»
Ученые предполагают, что в синтезе белка взаимосвязаны ДНК, РНК, белки и белковые ферменты. В строении нуклеиновых кислот, в расположении их нуклеотидов заложена определенная химическая структура. Строение и значение отдельных участков молекулы этих кислот неодинаковы и неравноценны. Каждый участок «собирает» на себя только определенные аминокислоты и таким образом определяет строение вновь синтезируемых белковых молекул. Как правило, структурные особенности передаются с ДНК на РНК, а с РНК — на белки. Но белки, или, более точно, белковые ферменты, в свою очередь оказывают определенное влияние на воспроизводство ДНК и РНК.
После того как появилась гипотеза об участии РНК в синтезе белка, над раскрытием этой важнейшей проблемы современности стали работать ученые во всех странах мира. И появилась уверенность, что не за горами то время, когда важнейшая проблема естествознания — проблема синтеза белка — будет решена.
В самом деле, ученые в последние месяцы сделали весьма существенные открытия. Оказалось, что в молекуле нуклеиновых кислот вдоль их цепочки действительно существуют определенные участки, управляющие расположением также определенных аминокислот. Выло установлено, что каждый такой участок в цепи, определяющий место аминокислоты в молекуле белка, состоит из трех нуклеотидов (так называемый триплетный код). Таким образом, эти открытия приблизили нас к познанию механизма важнейшего жизненного процесса — синтеза белка.
Совершенно очевидно, что раскрывая тайны строения нуклеиновых кислот и их значение в важнейших жизненных процессах, ученые не только решат ряд кардинальнейших вопросов биологии, но и откроют новые пути для многих областей практической медицины. Так, правильное понимание роли нуклеиновых кислот существенно скажется в решении проблемы рака — ведь ДНК и РНК, как показали исследования последних лет, играют весьма существенную роль в процессах роста злокачественных опухолей. Сейчас в лабораториях ведутся интереснейшие опыты, в которых ученые пытаются приостановить рост злокачественных опухолей путем включения в нуклеотиды нуклеиновых кислот раковой клетки определенных химических веществ.
На основе тщательного изучения природы вирусов, у которых нуклеиновые кислоты составляют основу их структуры, будут разработаны эффективные методы лечения и профилактики вирусных инфекций. Решение проблемы нуклеиновых кислот обязательно скажется и на разработке методов борьбы с лучевым поражением. В самое последнее время проведены эксперименты, результаты которых позволяют надеяться, что если ученые до конца раскроют тайны нуклеиновых кислот, то они смогут управлять наследственностью и изменчивостью живых организмов, в первую очередь микроорганизмов — бактерий, вирусов и т. д. А это путь к созданию более эффективных лекарственных средств, усилению уже существующих, например антибиотиков, к разработке новых мёр предупреждения инфекционных заболеваний.
В ЛАБОРАТОРИИ ГЕНЕТИКИ
Вскоре после открытия лечебных свойств бактериофага (сокращенное название — фаг) ученые пришли к выводу, что фаг не оправдал возложенных на него надежд. Однако в последние годы наука вновь обратилась к изучению фага. И сегодня ученые утверждают, что его противомикробные возможности в свое время не были раскрыты полностью.
В Институте эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи, в отделе общей медицинской микробиологии недавно создана лаборатория генетики микроорганизмов и бактериофага. Над чем же работают ее сотрудники?
У бактерий — врагов здоровья человека — есть свои враги — бактериофаги — бактериальные вирусы. Бактериофаг содержит нуклеиновую кислоту — и белки, в частности ферменты, растворяющие стенки бактерий. Нуклеиновая кислота «отвечает» за размножение и сохранение наследственных свойств фага.