Из чего сделаны гены?

В танце — слиянии E. coli и ее вирусов приверженцы «Церкви фагов» сумели отыскать ключи к некоторым великим загадкам жизни. А для них не было вопроса более великого, как вопрос о том, из чего сделаны гены.

До 1950–х гг. большинство ученых склонялось к мысли, что гены состоят из белков. Прямых доказательств получить не удавалось, но серьезных косвенных свидетельств было немало. Уже тогда становилось ясно, что гены есть у всех живых организмов, даже у бактерий и вирусов. Белки не менее вездесущи. При изучении плодовых мушек ученые определили, что их гены располагаются в хромосомах; а хромосомы содержат белки. Было ясно, что молекулы в генах должны быть сложными — ведь в генах каким‑то неведомым образом зашифрована информация о жизни во всех ее проявлениях. При этом ученые знали, что структура белка часто бывает весьма замысловатой. Оставалось только выяснить, как именно белки исполняют функции генов.

Первый серьезный вызов этой общей, хотя и не слишком определенной, позиции появился в 1944 г., когда один врач во всеуслышание заявил, что гены на самом деле состоят не из белка. Освальд Эйвери, работавший в больнице Института Рокфеллера, занимался исследованием бактерии Pneumococcus. У этой бактерии существует как безвредная форма, так и болезнетворная, вызывающая пневмонию. Более ранние эксперименты дали основания считать, что именно гены отвечают за различное поведение этих штаммов. Если ученые убивали опасный штамм, а затем вводили убитые бактерии мышам, то мыши не заболевали. Но если убитые бактерии опасного штамма смешивали с живыми бактериями безвредного штамма Pneumococcus, то инъекция такой смеси убивала мышей. Безвредный штамм каким‑то образом превращался в болезнетворный, и их потомки также сохраняли патогенность. Иными словами, генетический материал переходил из умерщвленных бактерий патогенного штамма к живым бактериям.

Эйвери и его коллеги стали выделять из убитых бактерий одно химическое соединение за другим и добавлять их в чашки с непатогенными штаммами бактерий. Они обнаружили, что интересующее их превращение обеспечивает только одно вещество. И это был не белок, а соединение под названием дезоксирибонуклеиновая кислота, или сокращенно ДНК.

О существовании ДНК ученые знали уже несколько десятилетий, но не представляли себе, зачем она нужна. В 1869 г. швейцарский биохимик Иоганн Мишер обнаружил в гное на повязках раненых солдат богатое фосфором вещество, которое получило название нуклеиновой кислоты. Позже ученые выяснили, что существует две почти идентичные нуклеиновые кислоты: дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая (РНК)[3]. Каркас ДНК состоит из остатков фосфорной кислоты, соединенных с остатками сахара дезоксирибозы. К нему прикрепляются четыре типа богатых углеродом и азотом соединений — так называемые азотистые основания.

Было ясно, что ДНК играет в живом организме важную роль — ведь ученые находили ее практически в любых клетках. Ее обнаруживали даже в хромосомах, где, как уже было известно, располагались гены. Но многие исследователи считали, что ДНК просто обеспечивает хромосоме жесткую основу, каркас — возможно, она обвивается вокруг генов, как манжета. Мало кто думал, что ДНК имеет достаточно сложную структуру, чтобы быть материальным носителем генов. ДНК, как выразился однажды Дельбрюк, «такое глупое вещество!»

Глупое или нет, но Эйвери сделал вывод: ДНК — именно то, из чего состоят гены. Но его эксперименты не смогли убедить закоренелых скептиков:

Вирус вводит свою ДНК в клетку E. coli

коллеги решили, что ДНК у него была недостаточно хорошо очищена и, возможно, содержала примеси каких‑то белков.

Чтобы восстановить репутацию ДНК, потребовалось еще целое десятилетие исследований на E. coli и ее вирусах. Пока Эйвери исследовал пневмококк в поисках генов, адепты дельбрюковой «Церкви фагов» пытались увидеть вирусы E. coli. Надо сказать, что вирусы в представлении ученых были уже не математическими абстракциями, а вполне материальными маленькими существами. При помощи недавно изобретенного прибора — электронного микроскопа — Дельбрюк и его коллеги обнаружили, что бактериофаги заключены в оболочку элегантной геометрической формы. Закрепившись на поверхности E. coli, фаг прокалывал клеточную стенку бактерии с помощью специальной белковой иголки и вводил в своего нового хозяина некую субстанцию. Гены вируса проникали в клетку E. coli, а пустая оболочка оставалась на ее поверхности.

Жизненный цикл вирусов, инфицирующих E. coli, дал ученым возможность провести простой и красивый эксперимент. Альфред Херши и Марта Чейз, исследователи из частной лаборатории в Колд — Спринг — Харбор в штате Нью — Йорк, пометили радиоактивными изотопами ДНК бактериофагов. Позволив этим вирусам внедриться в клетки E. coli, они затем с помощью высокоскоростного центрифугирования удалили с бактерий их пустые оболочки. Теперь радиоактивное излучение регистрировалось в бактериях, а не в покинутых оболочках.

Затем Херши и Чейз провели обратный эксперимент, в котором радиоактивные метки вводились не в ДНК, а в белок вируса. В этом случае после инфицирования E. coli радиоактивность сохраняли только пустые оболочки. Так через десять лет после эксперимента Эйвери Херши и Чейз подтвердили его вывод: гены состоят из ДНК.

Среди тех, кого больше других заинтересовали новые результаты, был молодой американский биолог Джеймс Уотсон. Его приняли в лоно «Церкви фагов» в возрасте всего лишь 20 лет, и при подготовке диссертации он, как и его коллеги, с энтузиазмом облучал вирусы E. coli рентгеновским излучением. Он прекрасно усвоил общепринятое мнение о том, что гены сделаны из белков, но собственные исследования заставили молодого ученого обратить внимание на ДНК. В эксперименте Херши и Чейз Уотсон увидел «новое убедительное доказательство того, что первичным генетическим материалом является ДНК».

Однако, чтобы понять, как ДНК может служить генетическим материалом, необходимо было как следует разобраться в структуре этого вещества. К этому времени Уотсон уже работал в Кембриджском университете, где быстро объединил усилия с Фрэнсисом Криком — британским физиком, тоже мечтавшим раскрыть тайну жизни. Вместе они тщательно изучили все данные о ДНК, собранные к тому времени учеными, и попытались разобраться, как располагаются по отношению друг к другу фосфаты, сахара и азотистые основания. В феврале 1953 г. они внезапно поняли структуру этой молекулы. Молодые люди собрали из стальных пластинок и стержней гигантскую модель, похожую на скрученную в спираль лесенку из сахаров и фосфатов, перекладинами которой служили азотистые основания.

Модель была красива, проста и красноречива. Она, казалось, сама готова была рассказать, как работают гены. Обе нити ДНК построены из миллиардов звеньев — нуклеотидов, расположенных линейно, как буквы в строке текста. Каждый нуклеотид состоит из фосфата и сахара дезоксирибозы, к которому крепится одно из азотистых оснований. Четырем типам азотистых оснований соответствует четыре типа нуклеотидов. Сам текст может иметь бесконечное число значений в зависимости от порядка расположения нуклеотидов. Благодаря этому ДНК может вместить информацию, необходимую для строительства любого белка любого биологического вида.

Структура ДНК помогла Уотсону и Крику понять, каким образом она может репродуцироваться. Они предположили, что нити ДНК расходятся, после чего к каждой из них добавляется новая нить — этот процесс получил название «репликация». Синтез новой ДНК упрощает тот факт, что азотистые основания способны соединяться между собой лишь вполне определенным образом: у каждого типа оснований есть один — единственный возможный партнер. В результате получается идеальная копия первоначальной молекулы.

Теория получилась красивая, а вот серьезных доказательств не хватало. Макса Дельбрюка, в частности, беспокоила «проблема распутывания». Реально ли разделить двойную спираль на две отдельные нити и достроить каждую из них до полноценной молекулы ДНК, не получив взамен спутанный клубок непонятно чего? Дельбрюк попытался найти ответ на этот вопрос, но потерпел неудачу. Успех пришел в 1957 г. к другим — к магистранту Мэтью Мезельсону и научному сотруднику доктору Фрэнку Сталю из Калифорнийского технологического института. С помощью E. coli они поставили эксперимент, который получил известность как самый красивый в биологии.

Мезельсон и Сталь поняли, что репликацию ДНК можно отследить, если выращивать E. coli на особой диете. E. coli для роста и размножения обязательно нужен азот, поскольку этот элемент входит в состав любого нуклеотида. Обычный атом азота содержит 14 протонов и 14 нейтронов, но существуют и другие, более легкие или более тяжелые изотопы азота, в которых нейтронов меньше или больше. Мезельсон и Сталь добавляли в питательную среду E. coli аммиак, содержащий тяжелый азот с 15 нейтронами в каждом атоме. Через некоторое время, когда у бактерии сменилось множество поколений, они извлекли и поместили в центрифугу немного ДНК. Измерив расстояние до точки, куда переместилась ДНК при вращении центрифуги, они вычислили ее массу и выяснили, что ДНК Е, coli, выращенной на тяжелом азоте, как и ожидалось, тяжелее ДНК нормальной E. coli.

Затем Мезельсон и Сталь провели тот же эксперимент чуть иначе. Они отделили немного E. coli с тяжелым азотом в колбу, где бактерии могли питаться нормальным азотом с 14 нейтронами в атоме. Дав бактерии совсем немного времени — всего на один цикл деления, — ученые извлекли ее ДНК и вновь поместили в центрифугу. Их целью была проверка теории Уотсона и Крика, которая давала на этот случай вполне четкие предсказания. Согласно этой теории при делении микроорганизмов внутри каждого из них тяжелые нити ДНК должны были разделиться и разойтись, а новые нити достраивались бы к ним уже из легких атомов. Таким образом, ДНК в новом поколении E. coli должна была получиться наполовину легкой, наполовину тяжелой — и образовать при центрифугировании полосу ровно посередине между тяжелой и легкой ДНК. Так и получилось.

Может быть, Уотсон и Крик построили красивую модель. Но для того, чтобы другие ученые признали их теорию верной и приняли модель на вооружение, потребовался красивый эксперимент на E. coli.