|
«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: В чем сходство между шифровкой и ДНК "Для разгрома фашизма и освобождения Франции он сделал больше целых дивизий"
|