Многие биологи полагают, что романтический период в молекулярной генетике уже закончился. Принципы этой науки установлены, остается труд. Работа предстоит огромная — нужно выяснить механизм множества процессов, протекающих в живом организме, определить структуру тысяч биологических макромолекул…
Последний термин приобрел права гражданства лишь в начале 50-х годов, но возник он значительно раньше.
Д. Берналл и В. Астбюри — ученики отца и сына Бреггов, открывших рентгеноструктурный анализ (основной метод изучения структуры вещества), — были, вероятно, первыми исследователями, предпринявшими в 20-х и 30-х годах попытки определить пространственное расположение атомов в структурах нуклеиновых кислот и белков. Они предполагали, что только на этом пути будут найдены разгадки функционирования живого организма, и выразили уверенность в принципиальной возможности интерпретации биологических фактов на молекулярном уровне. И оказались правы.
Перешагнем через несколько десятилетий и в телеграфной форме сообщим читателю, как говорится, положение на сегодняшний день. Начать надо со структуры белковых молекул.
Уже давно известно, что молекулы белка представляют собой цепи, построенные из 20 различных «кирпичей» — аминокислот. Не станем приводить их названия, хотя некоторые из них, например метионин или глутамин, знакомы лицам, вынужденным прибегать к услугам аптек. Аминокислоты связаны друг с другом одинаковыми «колечками» (химики называют эту связь пептидной). Так что найти структуру молекулы белка — это значит прежде всего определить порядок следования аминокислот. Но это не все. Нужны сведения и о форме молекулы.
Сейчас этой нелегкой работой занято большое число лабораторий. Вероятно, биологам нужно знать структуру всех белков. Так что в некотором обозримом будущем на книжных полках библиотек будет стоять толстая книга, содержащая сведения о последовательностях аминокислот во всех белковых молекулах.
Важность этих сведений не подлежит сомнению. Достаточно одной или двух перестановок в следовании аминокислот, чтобы произошли коренные изменения в жизни организма. Врожденная болезнь или тяжелое уродство может быть следствием совершенно пустякового изменения в структуре того или иного белка.
Исключительно интересным является сопоставление структуры одних и тех же белков разных организмов. Сравнивая, скажем, последовательность аминокислот в молекулах гемоглобина человека, лошади, быка, комара, мы с изумлением убеждаемся, что различия эти совершенно незначительны. Небольшие перестановки в следовании аминокислот сопровождали эволюцию живых существ от низших к высшим. Изучая первичную структуру белковых молекул разных животных, можно безошибочно проследить пути эволюции.
Так что, занимаясь экстраполяцией сегодняшнего хода науки, нам придется допустить, что на книжных полках библиотек будет стоять не одна книга «Структуры белка», а многотомное издание.
Трудности структурного анализа не останавливают бурного темпа развития молекулярной биологии в деле выяснения связи структуры белков с механикой управления деятельностью живого существа.
Хочется обратить внимание на совершенно новые черты в организации научных работ в этой области.
Гемоглобин — важный белок: этого не надо доказывать даже и тому, кто не ведает, что эта молекула выполняет важнейшую функцию переноса кислорода. Читатель, беспокоящийся о здоровье своих близких, знает, сколь худо, если анализ дает малый процент гемоглобина в крови.
Гемоглобин — важный белок, но вряд ли имеется в организме сколь-нибудь значительное число «неважных» белков, без которых можно было бы обойтись. Среди белков бездельников нет. Знать механизм действия каждого из них — задача, которая рано или поздно должна быть и будет решена. И ее решением будут заниматься поколения ученых, которые сейчас сидят на школьных и вузовских скамьях и которые сегодня уже в рядах армии исследователей.
До большинства белков у молекулярных биологов еще не дошли руки. А вот за гемоглобин взялись как следует. В мире существует примерно 100–200 человек, которые занимаются изучением связи структуры и свойств гемоглобина. Гемоглобин — это их профессия.
Поскольку нет преград для международных общений ученых, работающих в области структуры и свойств гемоглобина, — это вещество не взрывчато и в качестве материала для атомной бомбы не подходит, люди, занимающиеся одной проблемой, тянутся друг к другу. Им не приходится рыться в журналах для того, чтобы найти статьи друг друга. Они часто встречаются на симпозиумах и конференциях, ведут активную переписку и, таким образом, всегда в курсе последних событий.
Эта международная коллективность работы является характерной приметой сегодняшних фундаментальных (или, как говорят на Западе, «чистых») наук.
Не приходится и говорить, сколь дотошно знают эти 100–200 человек свой предмет. Не так давно мне пришлось присутствовать на докладе, посвященном гемоглобину. Докладчик помнил наизусть, какой аминокислотный остаток расположен за каким. «Обратите внимание, — говорил он, — вот на это место молекулы гемоглобина. Здесь расположен триптофан номер 93, вот здесь, где 48-й остаток сопряжен с 54-м, основная цепь молекулы изгибается…» Рассказ о молекуле гемоглобина шел в тех же тонах и был похож на рассказ географа, прожившего с десяток лет на крошечном острове, где он изучил расположение каждой кочки и толщину ствола каждого дерева.
Нет никакого сомнения, что, «навалившись» таким образом на гемоглобин, это дружное интернациональное общество откроет в течение ближайших лет все секреты его деятельности. А затем отправится на штурм других белков так, как это делает группа строителей, построившая Братскую ГЭС и отправляющаяся после этого на Усть-Илим.
Можно допустить, что, изучив в деталях связь структуры, форму завитков всех белков с их функцией в организме, наука составит рецепты подправки скверно работающих молекул.
Однако представляется более вероятным, что через несколько десятилетий научная медицина будет заниматься исправлением директора клетки — молекулы ДНК. Эта молекула занята фабрикацией белков. Так что вместо того, чтобы подправлять недоброкачественную продукцию, выпускаемую заводом, не лучше ли заменить его директора и парк машин и автоматов?..
Структура молекулы ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты — была скорее угадана, чем экспериментально найдена. Авторы этого замечательного открытия Д. Уотсон и Ф. Крик широко пользовались сведениями из родственных областей — химии, генетики, кристаллографии. Разумеется, без эксперимента они не смогли бы обойтись. Но тем не менее можно без преувеличения сказать, что они придумали двойную спираль, а когда придумали, то сразу же увидели, как легко и непринужденно эта модель объясняет все известные факты. Такая изящная гипотеза не могла оказаться неверной. И не оказалась. Серия исследований, последовавших за работой Д. Уотсона и Ф. Крика, показала безошибочность модели двойной спирали.
Молекула ДНК командует живым организмом. Она выполняет две функции. Во-первых, служит матрицей для синтеза другой тождественной молекулы ДНК — это процесс, лежащий в основе деления клетки. Во-вторых, ДНК фабрикует белки. Эту операцию она выполняет в две стадии. Молекула ДНК матрицирует молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты), а уж эти молекулы по кусочкам изготовляют разные белки.