Проникая все глубже в тайны мироздания, человек пытался ответить на один из основных вопросов, которым задавались еще древние мудрецы: что есть жизнь, что есть сам человек? Тайна рождения живых организмов интересовала ученых не меньше, чем строение звезд. Открытия в области биологии, совершенные в XX в., вывели человечество на новые рубежи, наметили поистине фантастические перспективы. Молекулярная биология по‑прежнему остается одной из самых перспективных наук нашего времени.

Разработав теорию эволюции живых организмов, Дарвин не мог ответить на вопрос, как закрепляются в потомстве изменения в структуре и функциях живых организмов, возникшие в процессе этой эволюции. Но когда его книга только‑только вышла из печати, в Чехии уже ставил свои опыты Грегор Мендель. Его выводы положили начало развитию науки о наследственности - генетики, которой суждено было объяснить важнейшие загадки мироздания. На модели гороха Мендель впервые установил существование особых «наследственных факторов» (позднее названных «генами»), передающихся от одного поколения другому, переносящих при этом определенные признаки. Однако еще долгое время сам механизм передачи был ученым неизвестен.

В то же время в Германии работал зоолог Август Вейсман, который высказал и доказал правильность мнения о том, что переход родительских свойств на потомство зависит от прямой передачи родителями некоего материального вещества, которое, по мнению Вейсмана, было заключено в хромосомах - органеллах клетки. Важнейшие для развития генетики исследования в дальнейшем провел американец Томас Морган. Поставив массу экспериментов на мухах‑дрозофилах, он и его сотрудники пришли к выводам о материальных основах наследственности, линейной локализации генов в хромосомах, закономерности их мутационной изменчивости, цитогенетическом механизме их наследственной передачи и др., что позволило окончательно оформить основные принципы хромосомной теории наследственности.

В 1869 г. биохимик Мишер выделил из клеточных ядер неизвестное до тех пор вещество со свойствами слабой кислоты. Позднее химик Левин установил, что в состав этой кислоты входит углевод дезоксирибоза, отчего она и была названа дезоксирибонуклеиновой (ДНК). В 1920 г. тот же Левин идентифицировал в составе ДНК четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимидин (Т). Таким образом, уже в 20‑х годах XX в. ученые знали, из чего состоит ДНК. Эти сведения были существенно дополнены в 1950 г. биохимиком Чаргафом, обнаружившим, что в молекуле ДНК количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц.

Однако, что касается роли ДНК в хранении и передаче наследственной информации, то долгое время по этому поводу имелись только догадки. В 1944 г. микробиологи Эвери, Маккарти и Маклеод впервые передали от одного микроба к другому определенные свойства с помощью ДНК.

А 28 февраля 1953 г. два молодых ученых из Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Френсис Крик сообщили о своем открытии структуры молекулы ДНК. Они установили, что эта молекула представляет собой спираль, состоящую из двух цепочек. В каждой цепочке, имеющей фосфатно‑сахарную основу, содержатся азотистые основания. Водородные связи между А и Т, с одной стороны, и Г и Ц - с другой, определяют устойчивость двуспиральной структуры. Уотсон и Крик определили, что последовательность азотистых оснований в структуре двуспиральной ДНК является «кодом» генетической информации, который передается при копировании (удвоении) молекулы. Когда две цепи ДНК разъединяются, к ним могут прикрепляться новые нуклеотиды, и около каждой из старых цепей образуется новая, точно ей соответствующая (поскольку единственно возможным является сочетание нуклеотидов А - Т, Г - Ц).

Статья Уотсона и Крика под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» была опубликована 25 апреля 1953 г. в журнале «Nature». В этом же номере была напечатана статья лондонских ученых Р. Франклин и М. Вилкинса, в которой были описаны результаты рентгеновского исследования молекулы ДНК, показавшего, что эта молекула действительно представляет собой двойную спираль.

Открытие Уотсона и Крика было признано практически во всем мире (опоздал лишь СССР, где генетика была разгромлена благодаря усилиям академика Лысенко). Уже в 1961 г. американские биологи Ниренберг и Очоа установили, что отдельные участки ДНК кодируют, т. е. определяют строение совершенно конкретных белковых структур («три расположенных рядом нуклеотида кодируют одну определенную аминокислоту»). Эти ученые определили кодоны, соответствующие каждой из 20 аминокислот.

Естественно, открытие Уотсона и Крика дало лишь базу для последующих исследований, но без этой базы генетика, вероятно, не могла бы развиваться дальше. В 1962 г. оба ученых получили Нобелевскую премию.

В первой половине 1970‑х годов были впервые получены гибридные молекулы ДНК («ДНК‑ДНК»), способные проникать в клетки различного происхождения и стимулировать там синтез несвойственных этим клеткам белков. Это было рождением новой дисциплины - генной инженерии, которая была сразу же взята под правительственный контроль в связи с потенциальной возможностью ее использования для создания биологического оружия. В 1977 г. был разработан первый вариант «машинного» метода определения нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК, что резко увеличило количество раскрытых («прочитанных») геномных участков и целых генов. В 1982 г. было получено первое лечебное средство нового поколения - генно‑инженерный инсулин. Он производится бактериальными клетками, в которые вводится ДНК, кодирующая структуру белка инсулина. В 1983 г. был разработан способ увеличения количества молекул ДНК с помощью фермента полимеразы, а в 1985‑м - метод индивидуального молекулярного «фингерпринтирования» (то есть своеобразного «снятия отпечатков пальцев») каждой оригинальной пробы ДНК. Это позволило осуществлять сравнение разных проб ДНК между собой для определения их идентичности или, напротив, несхожести. Эти методы сразу же начали применяться в судебной медицине для идентификации биологических «следов преступления», а также для установления отцовства. Расширяется новая генно‑инженерная технология производства некоторых пищевых продуктов. В 2000 г. был практически полностью расшифрован геном человека. Наука вплотную подошла к возможности заранее определять фенотип, способности, патологии человека, который только должен родиться. И не только определять, но и корректировать, заменять «больные гены» на «здоровые».

Двойной спирали ДНК 50 лет!

В субботу 28 февраля 1953 г. двое молодых ученых, Дж.Уотсон и Ф.Крик, в небольшой закусочной Eagle в Кембридже объявили толпе пришедших на ленч людей, что они открыли секрет жизни. Много лет спустя Одиль, жена Ф.Крика, сказала, что она, конечно, не поверила ему: приходя домой, он часто заявлял что-нибудь в этом роде, но потом оказывалось, что это ошибка. На этот раз ошибки не было, и с этого заявления началась революция в биологии, которая продолжается и по сей день.

25 апреля 1953 г. в журнале Nature появились сразу три статьи по структуре нуклеиновых кислот. В одной из них, написанной Дж.Уотсоном и Ф.Криком, была предложена структура молекулы ДНК в виде двойной спирали. В двух других, написанных М.Вилкинсом, А.Стоксом, Г.Вилсоном, Р.Франклин и Р.Гослингом, были приведены экспериментальные данные, подтверждающие спиральную структуру молекул ДНК. История открытия двойной спирали ДНК напоминает приключенческий роман и заслуживает хотя бы краткого изложения.

Важнейшие представления о химической природе генов и матричном принципе их воспроизводства были впервые четко сформулированы в 1927 г. Н.К. Кольцовым (1872–1940). Его ученик Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900–1981) воспринял эти идеи и развил их как принцип конвариантной редупликации генетического материала. Немецкий физик Макс Дельбрюк (1906–1981; Нобелевская премия 1969 г.), работавший в середине 1930-х гг. в Химическом институте кайзера Вильгельма в Берлине, под влиянием Тимофеева-Ресовского заинтересовался биологией настолько, что бросил физику и стал биологом.

В течение долгого времени, в полном соответствии с определением жизни, данным Энгельсом, биологи считали, что наследственным веществом являются какие-то особые белки. О том, что нуклеиновые кислоты могут иметь к генам какое-то отношение, никто и не думал – слишком уж они казались простыми. Так продолжалось до 1944 г., когда было сделано открытие, коренным образом изменившее все дальнейшее развитие биологии.

В этом году была опубликована статья Освальда Эйвери, Колина Маклеода и Маклина Маккарти о том, что у пневмококков наследуемые свойства передаются от одних бактерий другим с помощью чистой ДНК, т.е. именно ДНК является веществом наследственности. Затем Маккарти и Эйвери показали, что обработка ДНК расщепляющим ее ферментом (ДНКазой) приводит к потере ею свойств гена. До сих пор непонятно, почему это открытие осталось не отмеченным Нобелевской премией.

Незадолго до того, в 1940 г., Л.Полинг (1901–1994; Нобелевские премии 1954 и 1962 гг.) и М.Дельбрюк разработали концепцию молекулярной комплементарности в реакциях антиген-антитело. В те же годы Полинг и Р.Кори показали, что полипептидные цепи могут образовывать спиральные структуры, а несколько позже, в 1951 г., Полинг разработал теорию, позволявшую предсказывать виды рентгенограмм для различных спиральных структур.

После открытия Эйвери с соавторами, несмотря на то, что сторонников теории белковых генов оно не убедило, стало ясно, что необходимо определить структуру ДНК. Среди понявших значение ДНК для биологии началась гонка за результатами, сопровождавшаяся жесткой конкуренцией.

Рентгеновская установка, применявшаяся в 1940-х гг. для изучения кристаллической структуры аминокислот и пептидов

В 1947–1950 гг. Э.Чаргафф на основании многочисленных экспериментов установил правило соответствия между нуклеотидами в ДНК: количества пуриновых и пиримидиновых оснований одинаковы, причем количество адениновых оснований равно количеству тиминовых, а количество гуаниновых оснований – количеству цитозиновых.

Первые структурные работы (С.Ферберг, 1949, 1952) показали, что ДНК имеет спиральную структуру. Имея огромный опыт определения структуры белков по рентгенограммам, Полинг без сомнения мог бы быстро решить проблему структуры ДНК, будь у него сколько-нибудь приличные рентгенограммы. Однако их не было, а по тем, что ему удалось получить, не удавалось сделать однозначный выбор в пользу одной из возможных структур. В результате, торопясь опубликовать результат, Полинг выбрал неверный вариант: в статье, опубликованной в начале 1953 г., он предложил структуру в виде трехнитчатой спирали, в которой фосфатные остатки образуют жесткую сердцевину, а азотистые основания расположены на периферии.

Много лет спустя, вспоминая историю открытия структуры ДНК, Уотсон заметил, что «Лайнус [Полинг] не заслуживал того, чтобы угадать правильное решение. Он не читал статей и ни с кем не разговаривал. Более того, он даже забыл собственную статью с Дельбрюком, в которой говорится о комплементарности репликации генов. Он думал, что сможет определить структуру только потому, что такой умный».

Когда Уотсон и Крик начали работу над структурой ДНК, уже многое было известно. Оставалось получить надежные рентгеноструктурные данные и интерпретировать их на основании уже имевшихся тогда сведений. Как все это происходило, хорошо описано в известной книге Дж.Уотсона «Двойная спираль», хотя многие факты в ней изложены весьма субъективно.

Дж.Уотсон и Ф.Крик на пороге великого открытия

Конечно, для того, чтобы построить модель двойной спирали, нужны были обширные знания и интуиция. Но не будь совпадения нескольких случайностей, модель могла появиться несколькими месяцами позже, а ее авторами могли быть другие ученые. Вот несколько примеров.

Розалинда Франклин (1920–1958), работавшая с М.Вилкинсом (Нобелевская премия 1962 г.) в Кингс-колледже (Лондон), получила высочайшего качества рентгенограммы ДНК. Но работа эта ее интересовала мало, она считала ее рутинной и не спешила делать выводы. Этому способствовали ее плохие отношения с Вилкинсом.

В самом начале 1953 г. Вилкинс без ведома Р.Франклин показал Уотсону ее рентгенограммы. Кроме того, в феврале того же года Макс Перутц показал Уотсону и Крику годовой отчет Совета по медицинским исследованиям с обзором работ всех ведущих сотрудников, включая Р.Франклин. Этого оказалось достаточно, чтобы Ф.Крик и Дж.Уотсон смогли понять, как должна быть устроена молекула ДНК.

Рентгенограмма ДНК, полученная Р.Франклин

В статье Вилкинса с соавторами, опубликованной в том же номере Nature , что и статья Уотсона и Крика, показано, что, судя по рентгенограммам, структура ДНК из разных источников примерно одинакова и представляет собой спираль, у которой азотистые основания расположены внутри, а фосфатные остатки снаружи.

Статья Р.Франклин (с ее студентом Р.Гослингом) была написана в феврале 1953 г. Уже в начальном варианте статьи она описала структуру ДНК в виде двух коаксиальных и сдвинутых друг относительно друга вдоль оси спиралей с азотистыми основаниями внутри и фосфатами снаружи. По ее данным, шаг спирали ДНК в форме В (т.е. при относительной влажности >70%) составлял 3,4 нм, и на один виток приходилось 10 нуклеотидов. В отличие от Уотсона и Крика, Франклин не строила моделей. Для нее ДНК была не более интересным объектом исследования, чем каменный уголь и углерод, которыми она занималась во Франции до приезда в Кингс-колледж.

Узнав о модели Уотсона–Крика, она от руки дописала в окончательном варианте статьи: «Таким образом, наши общие представления не противоречат модели Уотсона и Крика, приведенной в предыдущей статье». Что и не удивительно, т.к. эта модель была основана на ее экспериментальных данных. Но ни Уотсон, ни Крик, несмотря на самые дружеские отношения с Р.Франклин, никогда не говорили ей того, что спустя годы после ее смерти много раз повторяли публично, – что без ее данных они никогда не смогли бы построить свою модель.

Р.Франклин (крайняя слева) на встрече с коллегами в Париже

Р.Франклин умерла от рака в 1958 г. Многие считают, что, доживи она до 1962 г., Нобелевскому комитету пришлось бы нарушить свои строгие правила и вручить премию не трем, а четырем ученым. В знак признания заслуг ее и Вилкинса, одно из зданий в Кингс-колледже назвали «Франклин–Вилкинс», навсегда соединив имена людей, которые друг с другом почти не разговаривали.

При знакомстве со статьей Уотсона и Крика (она приведена ниже) удивляют ее малый объем и лапидарный стиль. Авторы прекрасно понимали значение своего открытия и, тем не менее, ограничились лишь описанием модели и кратким указанием, что «из постулированного … специфического образования пар сразу же следует возможный механизм копирования генетического материала». Сама модель взята как будто «с потолка» – нет никаких указаний на то, как она была получена. Не приведены ее структурные характеристики, за исключением шага и числа нуклеотидов на шаг спирали. Образование пар также описано нечетко, т.к. в то время использовались две системы нумерации атомов в пиримидинах. Статья иллюстрирована лишь одним рисунком, сделанным женой Ф.Крика. Однако для обычных биологов перегруженные кристаллографическими данными статьи Вилкинса и Франклин были трудны для восприятия, а статью Уотсона и Крика поняли все.

Позже и Уотсон, и Крик признавали, что просто боялись в первой же статье излагать все детали. Это было сделано во второй статье, озаглавленной «Генетические следствия из структуры ДНК» и напечатанной в Nature 30 мая того же года. В ней приведены обоснования модели, все размеры и детали структуры ДНК, схемы образования цепей и спаривания оснований, обсуждены различные следствия для генетики. Характер и тон изложения говорят о том, что авторы вполне уверены в своей правоте и важности своего открытия. Правда, пару Г–Ц они соединили только двумя водородными связями, но уже через год в методической статье указали, что возможны три связи. Вскоре и Полинг подтвердил это расчетами.

Открытие Уотсона и Крика показало, что генетическая информация записана в ДНК четырехбуквенным алфавитом. Но потребовалось еще 20 лет на то, чтобы научиться ее читать. Сразу же встал вопрос о том, каким должен быть генетический код. Ответ на него в 1954 г. предложил физик-теоретик Г.А. Гамов*: информация в ДНК кодируется триплетами нуклеотидов – кодонами. Это было подтверждено экспериментально в 1961 г. Ф.Криком и С.Бреннером. Затем в течение 3–4 лет в работах М.Ниренберга (Нобелевская премия 1965 г.), С.Очоа (Нобелевская премия 1959 г.), Х.Кораны (Нобелевская премия 1965 г.) и др. было определено соответствие между кодонами и аминокислотами.

В середине 1970-х гг. Ф.Сэнгер (р. 1918; Нобелевские премии 1958 и 1980 гг.), также работавший в Кембридже, разработал метод определения последовательностей нуклеотидов в ДНК. Сэнгер использовал его для определения последовательности 5386 оснований, составляющих геном бактериофага jХ174. Однако геном этого фага – редкое исключение: он представляет собой одноцепочечную ДНК.
Настоящая эра геномов началась в мае 1995 г., когда Дж.К. Вентер объявил о расшифровке первого генома одноклеточного организма – бактерии Haemophilus influenzae . Сейчас расшифрованы геномы около 100 различных организмов.

Еще недавно ученые думали, что всё в клетке определяется последовательностью оснований в ДНК, однако жизнь, по-видимому, гораздо сложнее.
Теперь хорошо известно, что ДНК нередко имеет форму, отличную от двойной спирали Уотсона–Крика. Более 20 лет назад в лабораторных экспериментах была обнаружена так называемая Z-спиральная структура ДНК. Это тоже двойная спираль, но закрученная в другую сторону по сравнению с классической структурой. До недавнего времени считалось, что Z-ДНК не имеет отношения к живым организмам, но недавно группа исследователей из Национальных институтов сердца, легких и крови (США) обнаружила, что один из генов иммунной системы активируется только тогда, когда часть его регуляторной последовательности переходит в Z-форму. Теперь предполагается, что временное образование Z-формы может быть необходимым звеном в регуляции экспресии многих генов. Обнаружено, что в некоторых случаях вирусные белки связываются с Z-ДНК и приводят к повреждению клеток.

Кроме спиральных структур ДНК может образовывать хорошо известные скрученные кольца у прокариот и некоторых вирусов.

В прошлом году С.Найдл из Института исследований рака (Лондон) обнаружил, что нерегулярные концы хромосом – теломеры, представляющие собой одиночные цепи ДНК, – могут складываться в очень регулярные структуры, напоминающие пропеллер). Сходные структуры были обнаружены и в других участках хромосом и получили название G-квадруплексов, поскольку образуются участками ДНК, богатыми гуанином.

По-видимому, такие структуры способствуют стабилизации участков ДНК, на которых они образуются. Один из G-квадруплексов был обнаружен непосредственно рядом с геном c-MYC , активация которого вызывает рак. В этом случае он может предотвращать связывание с ДНК белков – активаторов гена, и исследователи уже начали поиск препаратов, стабилизирующих структуру G-квадруплексов, в надежде, что они помогут в борьбе с раком.

В последние годы была обнаружена не только способность молекул ДНК к формированию структур, отличных от классической двойной спирали. К удивлению ученых, в ядре клетки молекулы ДНК находятся в непрерывном движении, как бы «танцуют».

Давно известно, что ДНК образует комплексы с белками-гистонами в ядре с протамином в сперматозоидах. Однако эти комплексы считались прочными и статичными. С помощью современной видеотехники удалось заснять динамику этих комплексов в реальном времени. Оказалось, что молекулы ДНК постоянно образуют мимолетные связи друг с другом и с разнообразными белками, которые, как мухи, вьются вокруг ДНК. Некоторые белки движутся с такой скоростью, что от одной стороны ядра до другой проходят за 5 с. Даже гистон Н1, наиболее прочно связанный с молекулой ДНК, каждую минуту диссоциирует и снова связывается с ней. Это непостоянство связей помогает клетке регулировать активность своих генов – ДНК постоянно проверяет наличие в своем окружении факторов транскрипции и других регуляторных белков.

Ядро, которое считалось довольно статическим образованием – хранилищем генетической информации, – на самом деле живет бурной жизнью, и от того, какова хореография его компонентов, во многом зависит благополучие клетки. Некоторые болезни человека могут быть вызваны нарушениями координации этих молекулярных танцев.

Очевидно, что при такой организации жизни ядра его разные участки неравноценны – наиболее активные «танцоры» должны быть ближе к центру, а наименее активные – к стенкам. Так оно и оказалось. Например, у человека хромосома 18, в которой всего несколько активных генов, всегда находится вблизи границы ядра, а набитая активными генами хромосома 19 – всегда вблизи его центра. Более того, движение хроматина и хромосом и даже просто взаимное расположение хромосом, по-видимому, влияет на активность их генов. Так, близкое расположение хромосом 12, 14 и 15 в ядрах клеток лимфомы мыши считают фактором, способствующим превращению клетки в раковую.

Прошедшие полвека в биологии стали эрой ДНК – в 1960-х гг. расшифрован генетический код, в 1970-х гг. получены рекомбинантные ДНК и разработаны методы секвенирования, в 1980-х гг. разработана полимеразная цепная реакция (ПЦР), в 1990 г. начат проект «Геном человека». Один из друзей и коллег Уотсона, У.Гилберт, считает, что традиционная молекулярная биология умерла – теперь все можно выяснить, изучая геномы.

Ф.Крик среди сотрудников лаборатории молекулярной биологии в Кембридже

Сейчас, просматривая статьи Уотсона и Крика 50-летней давности, удивляешься, как много из предположений оказались верными или близкими к истине – ведь у них не было почти никаких экспериментальных данных. Что касается самих авторов, пятидесятилетие открытия структуры ДНК оба ученых встречают, активно работая теперь уже в разных областях биологии. Дж.Уотсон был одним из инициаторов проекта «Геном человека» и продолжает работать в области молекулярной биологии, а Ф.Крик в начале 2003 г. опубликовал статью о природе сознания.

* Георгий Антонович Гамов (1904–1968, эмигрировал в США в 1933 г.) – один из крупнейших ученых XX в. Он автор теории тета-распада и туннельного эффекта в квантовой механике; жидко-капельной модели атомного ядра – основы теорий ядерного распада и термоядерных реакций; теории внутренней структуры звезд, показавшей, что источником солнечной энергии являются термоядерные реакции; теории «Большого взрыва» в эволюции Вселенной; теории реликтового излучения в космологии. Хорошо известны его научно-популярные книги, такие как серия книг о мистере Томпкинсе («Мистер Томпкинс в Стране чудес», «Мистер Томпкинс внутри себя» и др.), «Раз, два, три… бесконечность», «Планета под названием Земля» и др.

В материалах рубрики использованы статьи и заметки следующих изданий: «Economist» и «New Scientist» (Англия), «American Scientist», «Discover», « IEEE Spectrum», «Science News», «Scientific American Mind», и «Wired» (США), «Ça m’interesse», « Ciel et Еspace», «Le Journal du CNRS», «La Recherche» и «Science et Vie» (Франция), а также сообщения агентств печати и информация из интернета.

Фридрих Мишер в последние годы жизни.

В университете Тюбингена хранится пробирка с ДНК, выделенной Мишером.

Как правило, с молекулой ДНК связывают имена английских биологов Дж. Уотсона и Ф. Крика, открывших в 1953 году структуру этой молекулы. Однако само соединение было открыто не ими. Но первооткрыватель упоминается далеко не в каждом справочнике или учебнике.

Открыл дезоксирибонуклеиновую кислоту в 1869 году молодой швейцарский врач Фридрих Мишер, работавший тогда в Германии. Он решил изучить химический состав клеток животных, а в качестве материала выбрал лейкоциты. Этих защитных клеток, поедающих микробы, много в гное, и Мишер заручился сотрудничеством коллег из местной хирургической больницы. Ему стали привозить корзины с гнойными повязками, снятыми с ран. Мишер испытал разные способы отмывания лейкоцитов с марли бинтов и стал выделять из отмытых клеток белки. В процессе работы он понял, что кроме белков в лейкоцитах присутствует какое-то загадочное соединение. Оно выпадало в осадок в виде белых хлопьев или нитей при подкислении раствора и снова растворялось при его подщелачивании. Рассматривая свой препарат лейкоцитов под микроскопом, учёный обнаружил, что после отмывания лейкоцитов с бинтов разбавленной соляной кислотой от них остались одни ядра. И сделал вывод: неизвестное соединение содержится в ядрах клеток. Мишер назвал его нуклеином, от латинского nucleus — ядро.

О ядре клетки тогда почти ничего не знали, хотя за три года до открытия Мишера, в 1866 году, известный немецкий биолог Эрнст Геккель предположил, что ядро отвечает за передачу наследственных признаков.

Желая подробнее изучить нуклеин, Мишер разработал процедуру его выделения и очистки. Обработав осадок ферментами, переваривающими белок, он убедился, что это не белковое соединение - ферменты оказались неспособны разложить нуклеин. Он не растворялся в эфире и других органических растворителях, то есть не был жировым веществом. Химический анализ был тогда крайне трудоёмким, медленным и не очень точным, но Мишер провёл его и убедился, что нуклеин состоит из углерода, кислорода, водорода, азота и больших количеств фосфора. В то время практически не были известны органические молекулы с фосфором в их составе. Всё это убедило Мишера, что он открыл какой-то новый класс внутриклеточных соединений.

Написав статью о новом открытии, он послал её своему учителю, одному из основателей биохимии, Феликсу Хоппе-Зейлеру, издававшему журнал «Медико-химические исследования». Тот решил проверить столь необычное сообщение в своей лаборатории. Проверка заняла целый год, и Мишер уже опасался, что кто-нибудь самостоятельно откроет тот же нуклеин и опубликует результаты первым. Зато в очередном номере журнала за 1871 год статья Мишера сопровождалась двумя статьями самого Хоппе-Зейлера и его сотрудника, подтверждавшими свойства нуклеина.

Вернувшись в Швейцарию, Мишер занял пост заведующего кафедрой физиологии Базельского университета и продолжил исследования нуклеина. Здесь он нашёл другой богатый и более приятный в работе источник нового соединения - молóки лососёвых рыб (они и сейчас используются для массового получения ДНК). Рейн, протекающий через Базель, был тогда полон лососей, и Мишер сам ловил их сотнями для своих исследований.

В статье об обнаружении нуклеина в молоках, опубликованной в 1874 году, Мишер писал, что это вещество явно связано с процессом оплодотворения. Но он отверг мысль о том, что в нуклеине может быть закодирована наследственная информация: соединение казалось ему слишком простым и единообразным для хранения всего разнообразия наследственных признаков. Тогдашние методы анализа не позволяли найти существенных различий между нуклеином человека и лосося.

Позже Мишер занимался исследованием физиологии лососёвых, по заказу швейцарского правительства разрабатывал дешёвый и здоровый рацион для тюрем, написал поваренную книгу для рабочих, основал в Базеле Институт анатомии и физиологии, изучал роль крови в процессе дыхания... Ещё при его жизни нуклеин переименовали в «нуклеиновую кислоту», что очень раздражало первооткрывателя. Мишер скончался от туберкулёза в 1895 году. Почти полвека после его смерти считалось, что молекула ДНК, состоящая всего из четырёх типов блоков, слишком проста для хранения наследственной информации, и на эту роль выдвигали гораздо более разнообразные белки.

Нуклеиновые кислоты впервые были открыты в ядре человеческих клеток швейцарским исследователем Фридрихом Мишером в 1869 году. В начале XX века биологам и биохимикам удалось выяснить структуру и основные свойства клетки. Было установлено, что одна из нуклеиновых кислот, ДНК, представляет собой чрезвычайно большую молекулу, состоящую из структурных единиц, названных нуклеотидами, каждый из которых содержит азотистые основания.

Морис Уилкинс и Розалин Франклин, учёные из Кембриджского университета, провели рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и показали, что они представляют собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные привели американского биохимика Джеймса Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. Национальное общество по изучению детского паралича выделило субсидию. В октябре 1951 году в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Уотсон занялся исследованием пространственной структуры ДНК совместно с Джоном К. Кендрю и Френсисом Криком, физиком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.

Уотсону и Крику было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), каждая из которых состоит из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырёх азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК - урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися и в феврале 1953 г. сделали сообщение о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трёхмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.

Согласно модели Крика - Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединённых 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. По Уотсону и Крику, две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что очень похоже на расстёгивание застёжки-молнии. Из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

ДНК выполняет чрезвычайно важную роль, необходимую как для поддержания, так и для воспроизведения жизни. Во-первых, это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из её цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида - триплет. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной цепи, представляют собой так называемый ген. Вторая функция ДНК - передача наследственной информации из поколения в поколение. ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка.

Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи». В речи на презентации А. В. Энгстрем из Каролинского института охарактеризовал ДНК как «полимер, составленный из строительных блоков нескольких типов - моносахарида, фосфата и азотистых оснований... Моносахарид и фосфат - повторяющиеся элементы гигантской молекулы ДНК, кроме того, она содержит четыре типа азотистых оснований. Открытием является порядок пространственного соединения этих строительных блоков».

Что изменило это открытие в нашей жизни за прошедшие 50 с лишним лет ?

В 1969 году учёные впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 году - искусственный ген. В конце XX века стало возможным создание полностью искусственных микроорганизмов. Так, в лабораториях были созданы искусственные бактерии, вырабатывающие необычные для них аминокислоты, а также жизнеспособные «синтетические» вирусы. Ведутся работы по созданию более сложных искусственных организмов - растений и животных.

Изучение структуры и биохимии ДНК привело к созданию методики модификации генома и клонирования. В 1980 году был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1996 году на свет появилось первое клонированное млекопитающее - овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны.

В 2002 году был успешно завершён проект «Геном человека», в ходе которого была создана полная генетическая карта человеческих клеток. И в том же году начались попытки клонирования человека, хотя пока ни одна из них не завершена (по крайней мере, научные данные об успешном клонировании человека отсутствуют).

Ещё в 1978 году был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрён в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 году впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырёхлетней девочке, страдавшей тяжёлым расстройством иммунитета. Сейчас полным ходом идёт изучение генетических механизмов развития самых разных заболеваний - от рака до артрита - и поиск методов исправления вызывающих их генетических «ошибок». А всего в клинической практике применяется более 350 препаратов и вакцин, при создании которых используется генная инженерия.

Анализ ДНК нашёл широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства (кстати, этот метод стал настоящим подарком для музыкантов, политиков и актёров, которые были вынуждены доказывать в суде свою непричастность к рождению приписываемых им детей), а также для установления личности преступника. Стоит отметить, что о подобной возможности использования ДНК говорил ещё сам Джеймс Уотсон, предлагавший создать базу данных, в которую вошли бы персональные структуры ДНК всех жителей планеты, что позволило бы ускорить процесс идентификации преступников и их жертв.

С помощью ДНК можно «ловить» не только преступников, но и, например, наркотики или биологическое оружие. Американские криминалисты используют систему контроля структуры ДНК растений-наркотиков для создания базы данных обо всех разновидностях марихуаны. Эта база позволит отследить источник практически любого образца наркотиков. В скором будущем в США начнут применяться основанные на анализе ДНК методы обнаружения биологических атак - планируется установить в общественных местах специальные датчики, которые будут автоматически «вылавливать» из воздуха опасные микроорганизмы и подавать предупреждающий сигнал.

В 1982 году была впервые проведена успешная модификация генома растения. А пять лет спустя на полях появились первые сельскохозяйственные растения с модифицированным геномом (это были помидоры, устойчивые к вирусным заболеваниям).

Сейчас с помощью генной инженерии выращиваются практически все продукты питания, особенно такие культуры, как соя и кукуруза. С 1996 года, когда началось коммерческое использование генетически модифицированных продуктов, общая площадь их посевов возросла в 50 раз. Общая площадь посевных площадей под трансгенными культурами в мире в 2005 году составила 90 миллионов га. Правда, правительства многих стран запретили выращивание и ввоз таких продуктов, так как ряд исследований показали, что они могут представлять опасность для здоровья человека (аллергия, поражение репродуктивной функции и др.).

Возможность изучения структуры ДНК позволила придать новый импульс историческим исследованиям. Так, например, были идентифицированы останки Николая Второго и его семьи, а также подтверждены и опровергнуты некоторые исторические сплетни (в частности, было доказано, что один из основателей США Томас Джефферсон имел незаконнорожденных детей от чернокожей рабыни).

С помощью анализа ДНК удалось проследить происхождение и людей, и целых народов. Например, было показано, что гены японцев практически идентичны генам одного из племён Центральной Америки. А чернокожие американцы всего за 349 долларов могут узнать, из какого района Африки и даже из какого племени происходили их предки, привезённые на невольничьих кораблях много лет назад.

Что даст нам ДНК в ближайшем будущем ?

Очевидно, это будет клонирование человека и его органов, что решит проблему нехватки донорских сердец и лёгких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания...

Более пятидесяти лет назад было сделано замечательное научное открытие. 25 апреля 1953 года была опубликована статья о том, как устроена самая загадочная молекула – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сокращенно её называют ДНК. Эта молекула встречается во всех живых клетках всех живых организмов. Обнаружили ее ученые более ста лет назад. Но тогда никто не знал, как эта молекула устроена и какую роль играет в жизни живых существ.

Окончательно разгадать тайну удалось английскому физику Френсису Крику и американскому биологу Джеймсу Уотсону.
Их открытие было очень важным. И не только для биологов, которые узнали наконец, как устроена молекула, управляющая всеми свойствами живого организма.
Одно из крупнейших открытий человечества было сделано так, что совершенно невозможно сказать, какой науке это открытие принадлежит, – так тесно слились в нем химия, физика и биология. Этот сплав наук и есть самая яркая черта открытия Крика и Уотсона.

История открытия ДНК

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. Почему дети – идет ли речь о людях, медведях, вирусах – похожи на своих родителей, бабушек и дедушек? Для того, чтобы открыть тайну, биологи исследовали самые разные организмы.

И ученые выяснили, что за сходство детей и родителей отвечают особые частицы живой клетки – хромосомы. Они похожи на маленькие палочки. Небольшие участки палочки-хромосомы назвали генами. Генов очень много, и каждый отвечает за какой-нибудь признак будущего организма. Если говорить о человеке, то один ген определяет цвет глаз, другой – форму носа... Но из чего состоит ген и как он устроен, этого ученые не знали. Правда, было уже известно: в хромосомах содержится ДНК и ДНК имеет какое-то отношение к генам.

Разгадать тайну гена хотели разные ученые: каждый смотрел на эту тайну с точки зрения своей науки. Но чтобы узнать, как устроен ген, маленькая частица ДНК, надо было узнать, как устроена и из чего состоит сама молекула.
Химики, которые исследуют химический состав веществ, изучали химический состав молекулы ДНК. Физики стали просвечивать ДНК рентгеновскими лучами, как обычно они просвечивают кристаллы, чтобы узнать, как эти кристаллы устроены. И выяснили, что ДНК похожа на спираль.

Биологи интересовались загадкой гена, конечно, больше всех. И Уотсон решил заняться проблемой гена. Для того, чтобы поучиться у передовых биохимиков и побольше узнать о природе гена, он отправился из Америки в Европу.
В то время Уотсон и Крик еще не знали друг друга. Уотсон, проработав некоторое время в Европе, никак существенно не продвинулся в выяснении природы гена.

Но на одной из научных конференций он узнал, что физики изучают строение молекулы ДНК с помощью своих, физических методов. Узнав это, Уотсон понял, что тайну гена ему помогут раскрыть физики, и отправился в Англию, где устроился работать в физическую лабораторию, в которой исследовали биологические молекулы. Здесь-то и произошла встреча Уотсона и Крика.

Как физик крик заинтересовался биологией

Крик вовсе не интересовался биологией. До тех пор, пока ему на глаза не попалась книжка известного физика Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?".

В этой книжке автор высказал предположение, что хромосома похожа на кристалл. Шредингер заметил, что "размножение" генов напоминает рост кристалла, и предложил ученым считать ген кристаллом. Это предложение заинтересовало Крика и других физиков. Вот почему.

Кристалл – очень простое по структуре физическое тело: в нем все время повторяется одна и та же группа атомов. А устройство гена считали очень сложным, раз их так много и все они разные. Если гены состоят из вещества ДНК, а молекула ДНК устроена так же, как кристалл, то получается: она одновременно и сложная и простая. Как же так?
Уотсон и Крик понимали: физики и биологи слишком мало знают о молекуле ДНК. Правда, кое-что было известно о ДНК химикам.

Как уотсон помог химикам, а химики – крику

Химики знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре химических соединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Их обозначили по первым буквам – А, Т, Г, Ц. Причем аденина было столько же, сколько тимина, а гуанина – сколько цитозина. Почему? Этого химики понять не могли.

Они догадывались: это как-то связано со структурой молекулы. Но как, не знали. Химикам помог биолог Уотсон.
Уотсон привык к тому, что в живой природе многое встречается парами: пара глаз, пара рук, пара ног, существуют, например, два пола: мужской и женский... Ему казалось, что и молекула ДНК может состоять из двух цепочек. Но если ДНК похожа на спираль, как выяснили физики при помощи рентгена, то как в этой спирали две цепочки держатся друг за друга? Уотсон предположил, что при помощи А, Г, Ц и Т, которые, как руки, протянуты друг к другу. Вырезав из картона контуры этих химических соединений, Уотсон долго прикладывал их то так, то эдак, пока вдруг не увидел: аденин прекрасно соединяется с тимином, а гуанин с цитозином.

Уотсон рассказал об этом Крику. Тот быстро сообразил, как должна выглядеть двойная спираль на самом деле – в пространстве, а не на рисунке. Оба ученых начали строить модель ДНК.
Как это – "строить"? А вот как. Из молекулярного конструктора, который напоминает детский конструктор-игрушку. В молекулярном конструкторе деталями служат шарики-атомы, которые пристегиваются друг к другу кнопочками в том порядке, в каком расположены атомы в веществе.

Молекулярный конструктор придумал другой ученый – химик Полинг. Он строил модели молекул белков и выяснил, что в них обязательно должны быть участки, похожие на спирали. Очень скоро это подтвердили физики той лаборатории, где работал Крик. Важная биологическая проблема была решена теоретическим путем.

Способ Полинга так понравился Крику, что он предложил Уотсону построить модель ДНК при помощи молекулярного конструктора. Вот так была создана модель знаменитой Двойной спирали ДНК, которую вы можете увидеть на рисунке.
И что замечательно: из-за того, что А в одной цепи может "склеиваться" только с Т в другой, а Г – только с Ц, автоматически выполняется "химическое" правило, по которому количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц. Но самое о главное, что, глядя на Двойную спираль ДНК, сразу понятно, как решить загадку размножения генов. Достаточно "размотать" косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивалось с Т, а Г – с Ц: был один ген – стало два. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики.

И в то же время этот "кристалл" может содержать самые разные сочетания А, Т, Ц, Г, и поэтому все гены разные.
Решение проблемы гена Уотсоном и Криком привело к тому, что буквально за 2–3 года сформировалась целая новая область естествознания, которую назвали молекулярной биологией. Часто ее называют физико-химической биологией.

Важность открытия ДНК

Вопрос о том, что и как записано в ДНК, ускорил расшифровку генетического кода. Осознание того, что гены - это ДНК, универсальный носитель генетической информации, привело к появлению генной инженерии. Сегодня уже студенты университетов расшифровывают чередование нуклеотидов в ДНК, соединяют гены разных организмов, переносят их между видами, родами и значительно более удаленными таксонами. На базе генной инженерии возникла биотехнология, которую известный фантаст С. Лем определил как использование закономерностей биогенеза в производстве.

Вспомним, что говорил о природе генов В.Л. Иоганнсен, человек, который в 1909 году дал само имя гена: "Свойства организмов обусловливаются особыми, при известных обстоятельствах отделимыми друг от друга и в силу этого до известной степени самостоятельными единицами или элементами в половых клетках, которые мы называем генами.

С тех пор ситуация существенно изменилась. Мы убедились, что, кроме атомов и молекул, в клетке ничего нет. И подчиняется она тем же физическим закономерностям, что и неживые объекты, в чем смогли убедиться физики, устремившиеся в биологию в 40-х годах именно в поисках каких-то принципиально новых, неизвестных физике законов природы. Все реакции клеточного метаболизма осуществляются под контролем биокатализаторов - ферментов, структура которых записана в ДНК генов. Передается эта запись в цепи переноса информации ДНК РНК БЕЛОК.

Сначала информация, записанная в виде чередования дезоксирибонуклеотидов на одной из двух комплементарных цепей в ДНК гена, переписывается на одноцепочечную молекулу информационной рибонуклеиновой кислоты – иРНК (она же мРНК от англ. messenger - переносчик). Это процесс транскрипции. На следующем этапе по матрице иРНК строится последовательность аминокислотных остатков полипептида. Тем самым создается первичная структура будущей молекулы белка. Это процесс трансляции. Первичная структура определяет способ складывания молекулы белка и тем самым определяет ее ферментативную или какую-либо иную, например структурную или регуляторную, функцию.

Эти представления зародились в начале 40-х годов, когда Дж. Бидл и Э. Тейтум выдвинули свой знаменитый лозунг "Один ген - один фермент"* . Он, подобно политическим лозунгам, разделил научное сообщество на сторонников и противников высказанной гипотезы о равенстве числа генов и числа ферментов в клетке. Аргументами в возникшей дискуссии служили факты, полученные при разработке так называемых систем ген-фермент, в которых изучали мутации генов, определяли их расположение внутри генов и учитывали изменения ферментов, кодируемых этими генами: замены аминокислотных остатков в их полипептидных цепях, их влияние на ферментативную активность и т.д. Теперь мы знаем, что один фермент может быть закодирован в нескольких генах, если он состоит из разных субъединиц, то есть из разных полипептидных цепей. Знаем, что есть гены, которые вообще не кодируют полипептидов. Это гены, кодирующие транспортные РНК (тРНК) или рибосомные РНК (рРНК), участвующие в синтезе белка.

В своей первоначальной форме принцип "Один ген - один фермент" представляет скорее исторический интерес, однако заслуживает памятника, поскольку он стимулировал создание целой научной области - сравнительной молекулярной биологии гена, в которой гены - единицы наследственной информации фигурируют как самостоятельные предметы исследования.