|
«Знак вопроса» 12/90
Что может биотехнология?
СКЛАДНЕВ Дмитрий Анатольевич
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, ког^а
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 Лениградский 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. Гямову 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 Уотсоиа, 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.Крикуи 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 ггеза 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.
Но на
этом события 1961 г. не закончились. В мае в Москве на Международном
биохимическом конгрессе выступил М.Ниренберг, которому впервые удалось
прочитать первые три буквы генетического кода: А А А для аминокислоты фенилаланина!
Как это было сделано? А довольно просто. Ниренберг поместил в пробирку
синтетическую нуклеиновую кислоту (к тому времени А.Корнберг из Станфордского
университета уже успел получить Нобелевскую премию (1959 г.) за синтез
нуклеиновых кислот в пробирке), содержащую многократно
повторенный
один-единственный нуклеотид. И рибосомы начали синтезировать
"белок", состоящий из одной аминокислоты ("один ген — один
фермент"). Принцип расшифровки генетического кода прояснился. Через три
года Крик закончил решение этой задачи!
В это
же время американский ученый Х.Г.Корана сумел химическим способом
синтезировать первый работающий ген, а американец Р.Холи "прочитал"
первый ген одной из т-РНК. Все они были удостоены Нобелевской премии по
медицине в 1968 году. На следующий год после них премией были награждены М.Дельбрюк,
СЛуриа и А.Херши.
Так,
можно сказать, закончилась эпопея "статьи тройки". Жаль только, что
на этом празднике науки забыли о К.Циммере и Н.В.Тимофееве-Ресовском, получившим
воркутинский лагерь и "шарашку" на Урале.
Но
вернемся к проблеме генетического кода и структуры гена и его работы. В 1965
г. Нобелевскую премию по медицине получили Ф.Жакоб, Ж.Моно и А.Львов, которые
доказали, что ген большую часть времени "закрыт" для считывания —
находится в неактивном состоянии. Они обнаружили в нем регуляторную и
структурную части. Первая "включает" и "выключает" ген, а
вторая ответственна за кодирование структуры белка.
После
расшифровки генетического кода выяснилось, что синтез белка начинается всегда
с одной и той же аминокислоты, которая затем "отстригается",
являясь как бы сигналом к началу синтеза белка. Кроме того были также
обнаружены две тройки нуклеотидов, или "букв", которые не
кодировали никаких аминокислот.
Если
такие бессмысленные тройки помещали в середину структурной части гена, то
синтез белка останавливался. Ту или иную "стоп"-тройку всегда
находили в конце структурной части гена.
В своей
лекции в Стокгольме Х.Г.Корана сказал в 1968 г.: "Теперь нам нужно
научиться встраивать и вырезать гены. И когда — в далеком будущем, — это
станет возможно, возникнет соблазн коренным образом изменить всю нашу
биологию".
Эти
слова очень созвучны словам Крика, который ворвался в конце марта 1953 г. в
кембриджский паб: "Мы открыли секрет жизни!". Уотсон был
сдержаннее, но все равно "собрался переписать всю Библию, обратившись к
истокам жизни на Земле, чтобы узнать, что из этого выйдет".
Биология
решила две величайшие загадки жизни. Она узнала, из чего состоят наши гены и
как они работают, прочитав язык, на котором говорит вся жизнь. Биология поняла,
что код жизни уникален и универсален.
Биология
получила в свое распоряжение кольцо царя Соломона, с помощью которого можно
теперь говорить с любым живым существом. И Корана наметил путь дальнейшего
развития науки о жизни — "научиться встраивать и вырезать гены". Он
считал, что это "станет возможно в далеком будущем".
Но
похоже, что никто не собирался долго ждать этого будущего. Его решили делать
сегодня...
Оглавление:
К читателю
Вступление
Когда началась биотехнология
Ее величество ДНК
В чем сходство между шифровкой и ДНК
Мораторий Берга
"Для разгрома фашизма и освобождения Франции он сделал
больше целых дивизий"
Проект "ГЮГО"
|
