«Здесь в Кембридже произошло, быть может, самое выдающееся после книги Дарвина событие в биологии — Уотсон и Крик раскрыли структуру гена!», писал в Копенгаген Нильсу Бору его бывший ученик М. Дельбрюк.
Круг замкнулся. Для этого понадобилось всего двадцать лет интенсивного мозгового штурма, предпринятого физиками. Теперь очередь была за биологами.
Рис 1. Схема двухцепочной молекулы ДНК
1. Адениновый нуклеотид ДНК
2. Урациловый нуклеотид РНК
3. Сахарофосфатный остов нуклеиной кислоты (ДНК) с присоединенными к нему азотистыми основаниями А, Г, Ц и Т.
В чем сходство между шифровкой и ДНК
Все знают, как начиналась Вторая мировая война. Сначала Гитлер напал на Польшу, потом повернул на Запад, разгромил Францию и вышел к берегам Ла-Манша, где блокировал у Дюнкерка английскую экспедиционную армию, безуспешно пытавшуюся помочь деморализованным французским вооруженным силам. Каким-то чудом англичанам, перед боевыми окопами которых Гитлер остановил свои танки, удалось эвакуировать солдат из-под Дюнкерка. Началась «битва за Британию», бомбардировки Лондона ужасными «Фау». Над Англией нависла реальная угроза вторжения с материка. Простые англичане вступали в отряды самообороны и гражданской гвардии. Время было тревожное и неопределенное. Только решение Гитлера повернуть на нашу страну спасло Британию от вторжения — открытого, с применением миллионных масс современных армий. Тайное вторжение на острова туманного Альбиона не прекращалось.
Абвер, гестапо и другие разведки гитлеровской Германии засылали в страну множество агентов, которых не всегда удавалось найти и обезвредить. Не следует забывать, что среди англичан — не простых, конечно, — были тайные и явные сторонники бесноватого фюрера. Нацистские агенты пересылали свои сообщения с помощью зашифрованных радиограмм. Из Берлина также по радио им передавали приказы и распоряжения, которые они должны были выполнять.
Нет ничего проще, чем перехватить радиосообщение. Поставь антенну и лови сигнал, предназначенный для агента. Или наоборот, если сумеешь запеленговать радиопередатчик шпиона. Но ведь разведывательный центр и агент переговариваются, как говорится, не Открытым текстом, а закодированным. Расшифровать бесконечные группы цифр практически невозможно, тем более что каждый раз после передачи центр и радиошпион меняют шифр, или код.
А какое все это имеет отношение к нашей теме рассказа? На первый взгляд никакого. Но если учесть, что мы есть творения живой природы, а в ней действуют в общем-то единые законы, то выяснится, что шифр — это изобретение человеческого мозга, а мозг представляет собой живой орган, построенный из клеток, жизнь которых управляется командами ДНК. Отсюда можно предположить, что законы, управляющие мозгом, когда он придумывает шифр, сходны с законами, управляющими генетически кодом.
После триумфа Уотсона и Крика и понимания того, что ген — это ДНК, перед учеными во всей своей грандиозности встал вопрос о том, как, с помощью какого шифра, ДНК управляет синтезом белка, то есть соединением аминокислот в строгом порядке. И не дай бог, если этот порядок по каким-то причинам, например в результате мутации, нарушится.
В 1968 г. в университете во время лекции, посвященной всем этим проблемам, Тимофеев-Ресовский своим грассирующим голосом произносил: «Теория Билда и Тэйтума „уан джин — уан энзим“», то есть «один ген — один фермент».
Американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум из Висконсинского университета занимались исследованием обмена веществ у хлебной плесени «нейроспоры», известной своими изящными сумочками, в которых уложены рядком восемь аккуратных спор. При облучении грибка рентгеном в его генах возникают мутации, которые можно выявить по нарушению окраски, изменению количества спор и т. д. В конечном итоге Билл и Тэйтум выяснили, что мутация одного гена ведет к нарушению функции одного белка-фермента, в результате чего могут прекращаться синтез пигмента или происходить другие нарушения обмена. В 1958 г. за это открытие Бидлу и Тэйтуму была присуждена Нобелевская премия.
Можно привести и другие примеры. В Африке довольно часто встречается особое заболевание крови, которое получило название серповидноклеточная анемия (СКА). На это заболевание еще в 1904 г. обратил внимание чикагский врач Дж. Херрик, который писал, что при этом заболевании красные кровяные клетки эритроциты становятся похожими на серпики луны, откуда и название заболевания. При СКА молекулярный анализ показал, что в одной из цепей гемоглобина одна аминокислота — глютаминовая — меняется на другую — валин.
На валин происходит замена и в одном из клеточных белков, в результате чего он становится раковым и трансформирует клетку, превращая ее в злокачественную. Сейчас молекулярные биологи уже много знают примеров такой замены, в результате чего функция белка искажается до неузнаваемости.
Но в 1953 г. это было все еще неизвестно. А самое главное, было неизвестно, каким образом ген преобразует свою информацию в последовательность белковой цепи, то есть не был известен генетический код. Была, правда, одна чисто теоретическая догадка физика Г. Гамова, о котором мы уже говорили — ученика Бора и друга Л. Ландау, который хорошо знал по Кембриджу начала 30-х годов П. Капицу. Гамов Георгий Антонович окончил Ленинградский университет в 1926 г. и в 1931–1933 гг. работал в Ленинградском физико-техническом институте. В 1934 г. он эмигрировал в США.
Оказавшись в Америке, он занимался теоретической физикой. Однако наслушавшись разговоров о генах, ДНК, узнав, что она содержит — как и карты — всего четыре «масти», он решил разложить пасьянс с целью понять устройство генетического кода. Гамову сразу стало ясно, что код не может быть «двоичным», то есть одну аминокислоту должны кодировать не двойка нуклеотидов-«букв», а тройка. Почему не две, а три?
Это станет ясно, если учесть тот факт, что в состав белков входят 20 аминокислот. Сочетание из 4 по 2 дает всего 16 комбинаций, что недостаточно для кодирования всех аминокислот. Следовательно, заключил Гамов, код должен быть трехбуквенным, то есть каждую аминокислоту должна кодировать тройка «букв» в любых сочетаниях.
Но число сочетаний из 4 по 3 равно 64, а аминокислот всего 20. Зачем же такая избыточность? Такой избыточности, конечно, не нужно, но что делать, если двух букв для всех аминокислот не хватает. Приходится мириться. На том пока и остановились.
Однако проблема кода не давала покоя Дж. Уотсону. На следующий год после своего триумфа он попытался сопоставить форму аминокислот и нуклеотидов ДНК. Из этого ничего не вышло: «кубики» из разных наборов не состыковывались. Через год Ф. Крик, видя неудачу Уотсона, предположил, что между ДНК и белком должен быть, некий «адаптер», приспособление, которое с одной стороны подходит к ДНК, а с другой к аминокислоте. Так впервые возник вопрос об особом классе кислот рибонуклеиновых — (РНК), которые были открыты в 1957 г. англичанином М. Хоглэндом. Эти РНК получили название «транспортных», или т-РНК.
Переломным в решении проблемы генетического кода явился 1961 г. За год до этого в Кембридж к Ф. Крику и С. Бреннеру приехал в гости на Пасху Ф. Жакоб из парижского института Пастера. Он рассказал об идее его сотрудника Ж. Моно и которую поддержал их шеф А. Львов. Она касалась существования в клетке короткоживущей РНК, переносящей команды от ДНК к рибосомам, клеточкам-тельцам, с помощью которых синтезируется белок. На следующий год эта РНК, получившая название информационной (и-РНК) была открыта в лаборатории М. Дельбрюка в Калифорнийском технологическом институте и одновременно У. Гилбертом в лаборатории Уотсона в Гарварде.
После всех этих открытий выстроилась очень красивая и ясная схема синтеза белка в клетке. ДНК при этом является носителем генетической информации, кодируя правильный порядок аминокислот в белковой цепи. Информация эта к месту синтеза белка передается в виде копии и-РНК, поступающей в рибосому, которая после синтеза белка разрушается (почему и является короткоживущей). К рибосоме также поступают т-РНК с аминокислотами на «хвосте», в результате чего и синтезируется белковая молекула.