|
Сто великих научных открытий
Дмитрий Самин
Тайны живого
ДНК
Генетика
как наука возникла в 1866 году, когда Грегор Мендель сформулировал положение,
что «элементы», названные позднее генами, определяют наследование физических
свойств. Спустя три года швейцарский биохимик Фридрих Мишер открыл
нуклеиновую кислоту и показал, что она содержится в ядре клетки. На пороге
нового века ученые обнаружили, что гены располагаются в хромосомах,
структурных элементах ядра клетки.
В
первой половине XX века биохимики определили химическую природу нуклеиновых
кислот, а в сороковых годах исследователи обнаружили, что гены образованы
одной из этих кислот, ДНК. Было доказано, что гены, или ДНК, управляют
биосинтезом (или образованием) клеточных белков, названных ферментами, и
таким образом контролируют биохимические процессы в клетке.
К 1944
году американский биолог Освальд Авери, работая в Рокфеллеровском институте
медицинских исследований, представил доказательства, что гены состоят из ДНК.
Эта гипотеза была подтверждена в 1952 году Альфредом Херши и Мартой Чейз.
Хотя было ясно, что ДНК контролирует основные биохимические процессы, происходящие
в клетке, ни структура, ни функция молекулы не были известны.
Весной
1951 года, во время пребывания на симпозиуме в Неаполе, Уотсон встретил
Мориса Г.Ф. Уилкинса, английского исследователя. Уилкинс и Розалин Франклин, его
коллеги по Королевскому колледжу Кембриджского университета, провели
рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и показали, что они представляют собой
двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные
привели Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот.
Национальное общество по изучению детского паралича выделило субсидию.
В
октябре 1951 года ученый отправился в Кавендишскую лабораторию Кембриджского
университета для исследования пространственной структуры белков совместно с
Джоном К. Кендрю. Там он познакомился с Фрэнсисом Криком, физиком,
интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.
Впоследствии
у них установились тесные творческие контакты. Начиная с 1952 года,
основываясь на ранних исследованиях Чаргаффа, Уилкинса и Франклин, Крик и
Уотсон решили попытаться определить! химическую структуру ДНК
Фрэнсис
Харри Комптон Крик родился 8 июня 1916 года в Норт-хемптоне и был старшим из
двух сыновей Харри Комптона Крика, зажиточного обувного фабриканта, и Анны
Элизабет (Вилкинс) Крик. Проведя свое детство в Нортхемптоне, он посещал
среднюю классическую школу Во время экономического кризиса, наступившего
после Первой мировой войны, коммерческие дела семьи пришли в упадок, и
родители Фрэнсиса переехали в Лондон. Будучи студентом школы Милл-Хилл, Крик
проявил большой интерес к физике, химии и математике. В 1934 году он поступил
в Университетский колледж в Лондоне для изучения физики и окончил его через
три года, получив звание бакалавра естественных наук. Завершая образование в
Университетском колледже, молодой ученый рассматривал вопросы вязкости воды
при высоких температурах; эта работа была прервана в 1939 году разразившейся
Второй мировой войной.
В
военные годы Крик занимался созданием мин в научно-исследовательской
лаборатории Военно-морского министерства Великобритании. В течение двух лет
после окончания войны он продолжал работать в этом министерстве и именно
тогда прочитал известную книгу Эрвина Шредингера «Что такое жизнь? Физические
аспекты живой клетки», вышедшую в свет в 1944 году. В книге Шредингер
задается вопросом. «Как можно пространственно-временные события, происходящие
в живом организме, объяснить с позиции физики и химии»
Идеи,
изложенные в книге, настолько повлияли на Крика, что он, намереваясь заняться
физикой частиц, переключился на биологию. При поддержке Арчибалда В. Уилла
Крик получил стипендию Совета по медицинским исследованиям и в 1947 году
начал работать в Стрэндж-вейской лаборатории в Кембридже. Здесь он изучал
биологию, органическую химию и методы рентгеновской дифракции, используемые
для определения пространственной структуры молекул. Его познания в биологии
значительно расширились после перехода в 1949 году в Кавен-дишскую
лабораторию в Кембридже — один из мировых центров молекулярной биологии.
Под
руководством Макса Перуца Крик исследовал молекулярную структуру белков, в
связи с чем у него возник интерес к генетическому коду последовательности
аминокислот в белковых молекулах. Около 20 важнейших аминокислот служат
мономерными звеньями, из которых построены все белки Изучая вопрос,
определенный им как «граница между живым и неживым», Крик пытался найти
химическую основу генетики, которая, как он предполагал, могла быть заложена
в дезок-сирибо-нуклеиновой кислоте (ДНК).
В 1951
году двадцатитрехлетний американский биолог Джеймс Д. Уотсон пригласил Крика
на работу в Кавендишскую лабораторию.
Джеймс
Девей Уотсон родился 6 апреля 1928 года в Чикаго (штат Иллинойс) в семье Джеймса
Д. Уотсона, бизнесмена, и Джин (Митчелл) Уотсон и был их единственным
ребенком. В Чикаго он получил начальное и среднее образование. Вскоре стало
очевидно, что Джеймс необыкновенно одаренный ребенок, и его пригласили на
радио для участия в программе «Викторины для детей» Лишь два года проучившись
в средней школе, Уотсон получил в 1943 году стипендию для обучения в
экспериментальном четырехгодичном колледже при Чикагском университете, где
проявил интерес к изучению орнитологии. Став бакалавром естественных наук в
университете Чикаго в 1947 году, он продолжил образование в Индианском
университете Блумингтона.
К этому
времени Уотсон заинтересовался генетикой и начал обучение в Индиане под
руководством специалиста в этой области Германа Дж. Меллера и бактериолога
Сальвадора Лурия. Уотсон написал диссертацию о влиянии рентгеновских лучей на
размножение бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии) и получил в 1950
году степень доктора философии. Субсидия Национального исследовательского
общества позволила ему продолжить исследования бактериофагов в Копенгагенском
университете в Дании Там он проводил изучение биохимических свойств ДНК
бактериофага Однако, как он позднее вспоминал, эксперименты с бактериофагом
стали его тяготить, ему хотелось узнать больше об истинной структуре молекул
ДНК, о которых так увлеченно говорили генетики.
Крику и
Уотсону было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот — ДНК и
рибонуклеиновая кислота (РНК), каждая из которых состоит из моносахарида
группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК
— урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и
Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися, сделав сообщение о
структуре ДНК в феврале 1953 года Месяцем позже они создали трехмерную модель
молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.
Согласно
модели Крика—Уотсона, ДНК представляет двойную спираль, состоящую из двух
цепей дезоксирибозофосфата, соединенных парами оснований аналогично
ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с
тимином, а гуанин — с цитозином С помощью этой модели можно было проследить
репликацию самой молекулы ДНК.
Модель
позволила другим исследователям отчетливо представить репликацию ДНК. Две
цепи молекулы разделяются в местах водородных связей наподобие открытия
застежки-молнии, после чего на каждой половине прежней молекулы ДНК
происходит синтез новой. Последовательность оснований действует как матрица,
или образец, для новой молекулы.
В 1953
году Крик и Уотсон завершили создание модели ДНК. Это позволило им вместе с
Уилкинсом через девять лет разделить Нобелевскую премию 1962 года по
физиологии и медицине «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых
кислот и их значения для передачи информации в живых системах».
А.В.
Энгстрем из Каролинского института сказал на церемонии вручения премии:
«Открытие пространственной молекулярной структуры... ДНК является крайне
важным, т.к. намечает возможности для понимания в мельчайших деталях общих и
индивидуальных особенностей всего живого». Энгстрем отметил, что «расшифровка
двойной спиральной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты со специфическим
парным соединением азотистых оснований открывает фантастические возможности
для разгадывания деталей контроля и передачи генетической информации».
После
опубликования описания модели в английском журнале «Нейче» в апреле 1953 года
тандем Крика и Уотсона распался.
В 1965
году Уотсон написал книгу «Молекулярная биология гена», ставшую одним из
наиболее известных и популярных учебников по молекулярной биологии.
Что
касается Крика, то в 1953 году он получил степень доктора философии в
Кембридже, защитив диссертацию, посвященную рентгеновскому дифракционному
анализу структуры белка. В течение следующего года он изучал структуру белка
в Бруклинском политехническом институте в Нью-Йорке и читал лекции в разных
университетах США. Возвратившись в Кембридж в 1954 году, он продолжил свои
исследования в Кавендишской лаборатории, сконцентрировав внимание на
расшифровке генетического кода. Будучи изначально теоретиком, Крик начал
совместно с Сиднеем Бреннером изучение генетических мутаций в бактериофагах
(вирусах, инфицирующих бактериальные клетки).
К 1961
году были открыты три типа РНК: информационная, рибо-сомальная и
транспортная. Крик и его коллеги предложили способ считывания генетического
кода. Согласно теории Крика, информационная РНК получает генетическую
информацию с ДНК в ядре клетки и переносит ее к рибосомам (местам синтеза
белков) в цитоплазме клетки. Транспортная РНК переносит в рибосомы
аминокислоты. Информационная и рибосомная РНК, взаимодействуя друг с другом,
обеспечивают соединение аминокислот для образования молекул белка в
правильной последовательности. Генетический код составляют триплеты азотистых
оснований ДНК и РНК для каждой из 20 аминокислот. Гены состоят из
многочисленных основных триплетов, которые Крик назвал кодонами.
До
расшифровки генома человека оставалось сорок лет...
|
