"...Самая золотая из всех молекул"

Древние греки утверждали, что судьбу каждого человека предопределяют три богини, три грозные Мойры. Неумолимые Мойры жили на Олимпе. Судьба самого Зевса была в их руках. Обязанности между женщинами распределялись довольно-таки четко. Одна из них пряла нить жизни человека и определяла срок его существования. Другая, не глядя, вынимала жребий, который выпадает каждому, третья заносила в длинный свиток все, что предписывали человеку ее сестры, и, наконец, обрезала нить.

К сожалению, для простого смертного на этом все кончалось. Правда, была на Олимпе еще одна богиня, Тюхэ, которую римляне называли Фортуна. Она могла внести в жизнь человека существенные коррективы. Кому крупно везло, тому доставалось что-нибудь из рога изобилия, который держала в руках богиня.

В 1964 году крупнейший специалист в области изучения структуры белков, лауреат Нобелевской премии Д. Кендрью выступил по английскому телевидению с серией лекций о молекулярной биологии. Они легли в основу книги "Нить жизни". Своим названием эта интересная книга обязана молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Как это ни парадоксально, но в "нити жизни" древнегреческих богинь и в "Нити жизни" Д. Кендрью было кое-что общее. Современные ученые могут говорить о "нити жизни", вкладывая в это понятие совершенно конкретный смысл.

Возьмем, например, одну из широко распространенных и безвредных бактерий, кишечную палочку. Вся гигантская молекула ДНК в этой бактерии "упакована" в образовании, напоминающем крошечное ядрышко. В поперечнике оно равняется одной стотысячной доле миллиметра. Что и говорить, ничтожная величина! Если теперь извлечь хитроумно уложенную в клубок огромную молекулу нуклеиновой кислоты, размотать его и вытянуть ДНК в одну линию, то длина ее составит миллиметр. Это в сто тысяч раз больше диаметра ядра, в котором была "уложена" молекула. Ну чем не настоящая нить жизни?!

Самая золотая из всех молекул

Молекула ДНК передает от родителей к детям, от поколения к поколению всю наследственную информацию. Пожалуй, это самое удивительное свойство уникальной молекулы.

Над разгадкой этого явления работали многие выдающиеся исследователи в разных странах. Некоторые вплотную приблизились к решению "загадки № 1", но удача сопутствовала только единицам.

Случайно это или закономерно? Как мы увидим в дальнейшем, "случай помогает только подготовленному уму".

Фотография самого близкого вашего товарища, если использовать научную терминологию, содержит ограниченную информацию об этом человеке. Вы знаете это очень хорошо, так как он ваш большой и старый друг.

Откровенно говоря, формула нуклеиновой кислоты, даже сведения о нуклеотидном составе ДНК не содержат достаточной информации, на основании которой модаю было бы судить, каким способом происходит самовоспроизведение молекулы ДНК. И вот теперь со всей остротой встает вопрос, как расположены в пространстве атомы в молекуле ДНК?

Совершенно очевидно, что молекула ДНК не может быть плоской, как лист бумаги. Как и всякая другая молекула, она должна иметь пространственную структуру, объемность. Когда говорят о первичной структуре, подразумевают последовательность, в которой соединены простейшие составные части молекулы. Например, первичная структура белка - это последовательность' аминокислотных остатков. Когда говорят о вторичной структуре ДНК, имеют в виду расположение ее полинуклеотидных цепей. Если бы речь шла о вторичной структуре белка, подразумевалось бы расположение, или, другими словами, укладка полипептидных цепей.

Но молекулы органических веществ - могут принимать и более сложные формы. Говоря о третичной структуре, имеют в виду форму, которую принимают полинуклеотидные цепи ДНК, или, например, способ укладки полипептидных цепей белка.

Итак, перед учеными со всей остротой встал вопрос: какова пространственная конфигурация молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты? Ответ на него был подготовлен независимо друг от друга учеными разных специальностей в разных странах. Но только трем из них удалось разгадать строение удивительной молекулы.

Два важных события уже совершились к этому моменту в научном мире. Во-первых, исследователи знали, что о взаимном расположении атомов в молекуле можно судить с помощью методов рентгеновского структурного анализа. А во-вторых, к этому времени уже были известны правила сочетания между собой азотистых оснований в молекуле ДНК, или, как их называют биохимики, правила Э. Чаргаффа. Конечно, деление на "во-первых" и "во-вторых" чисто условное. Оба эти события спокойно можно поменять местами или одновременно поставить на первое место.

Новый метод исследования для ученого - это все равно что новый шаг к вершине недоступной горы. И с каждым шагом вперед открываются новые бескрайние дали.

В самом упрощенном виде рентгеновский структурный анализ можно представить так. Если на пути пучка рентгеновских лучей поместить какое-то вещество, на рентгеновской пленке обнаружится серия упорядочение расположенных пятен. Они образовались за счет того, что рентгеновские лучи отразились от рядов упорядочение расположенных молекул. Если у вас в руках такая рентгенограмма, остается только понять, что символизируют эти пятна.

А теперь пора рассказать и о второй предпосылке, о правилах Э. Чаргаффа. Он первый получил образцы ДНК очень высокой степени чистоты и провел тщательный анализ относительного числа азотистых оснований в каждом образце. Талантливый ученый обнаружил: из какого бы живого организма ни выделяли основания, количество А всегда равнялось Т, а количество Г равнялось Ц. Так была установлена комплементарность оснований, которые и составили сущность правил Э. Чаргаффа.

Итак, научная почва, на которой должно вырасти открытие структуры ДНК, была подготовлена. Логично предположить, что это событие произойдет в одной из лабораторий, которые работали именно в этом направлении.

Так оно и случилось.

Двое из первооткрывателей пространственной организации ДНК работали в Англии, в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, которую возглавлял сэр Л. Брегг. Третий - в Кингзколледже Лондонского университета.

Если бы зимой 1953 года кому-нибудь удалось заглянуть в скромную комнату, в которой работали Д. Уотсон и Ф. Крик, он бы увидел примерно следующую картину. Старый шкаф и два лабораторных стола были плотно набиты книгами и негативами рентгенограмм. Стояли чем-то похожие на фантастические творения художника-абстракциониста сделанные из металлических пластинок и вращающихся сочленений модели молекул. Около стены возвышалась очень странная на вид металлическая конструкция. При более внимательном рассмотрении можно было обнаружить, что она сделана из нескольких обыкновенных в химической лаборатории штативов Бунзена, на которых в разных положениях закреплены металлические пластинки разной формы. Каждая символизировала одну из шести составных частей нуклеиновой кислоты: четыре - разные азотистые основания, одна - сахар, другая - остаток фосфорной кислоты.

Со стороны могло показаться, что два молодых ученых - Д. Уотсон и Ф. Крик - играют в какую-то непонятную детскую игру, периодически перемещая металлические пластинки или вращая их в металлических сочленениях. При этом каждый поворот пластинки или перемещение их вдоль оси штатива вызывали, как правило, оживленную дискуссию. А дело заключалось в следующем. Необходимо было так расположить составные части металлической конструкции, чтобы дифракция рентгеновских лучей, рассчитанная теоретическим путем, полностью совпадала с рентгенограммами, полученными с образцов реально существующей ДНК.

Мы бы погрешили против исторической правды, если бы представили развитие событий только в спокойных академических тонах: тихая комната, мирная дискуссия двух ученых, размеренный образ жизни. Работа над расшифровкой структуры ДНК была напряженной, азартной, а мотивы чисто человеческих поступков действующих лиц иногда не лишены недостатков...

Послушаем, что по этому поводу говорит один из авторов открытия, Д. Уотсон, имевший среди друзей прозвище "Честный Джим". "Действующих лиц, собственно говоря, было пятеро - Морис Уилкинс, Розалинд Фрэнклин, Лейнус Полинг, Фрэнсис Крик и я". Попробуем охарактеризовать действующих лиц, воспользовавшись для этих целей высказываниями самого "Честного Джима".

Итак, М. Уилкинс.

"В то время работа над молекулярным строением ДНК в Англии практически была вотчиной Мориса Уилкинса, работающего в Кингзколледже. Как и Фрэнсис (Крик), Морис был физиком и также пользовался в своих исследованиях рентгенографическими методами. Было бы не слишком красиво, если бы Фрэнсис вдруг занялся проблемой, над которой Морис работал уже несколько лет. Дело осложнялось еще и тем, что оба они, почти ровесники, были хорошо знакомы и до второй женитьбы Фрэнсиса часто обедали и ужинали вместе, чтобы поговорить о науке".

Второе действующее лицо по определению "Честного Джима" - Р. Фрэнклин. Д. Уотсон обычно называет ее Рози.

"Годы кропотливых, бесстрастных занятий кристаллографией наложили на Рози свой отпечаток. Нелегкое кембриджское образование она получила не затем, чтобы растрачивать его на пустяки. Она твердо знала, что установить строение ДНК можно только чисто кристаллографическим путем".

Лайнус Полинг, работавший в Америке над разгадкой структуры ДНК, по определению Д. Уотсона, "...легендарный химик из Калифорнийского технологического института... Ведь Полинг не был бы величайшим из химиков, если бы не понял, что именно молекула ДНК - самая золотая из всех молекул".

Теперь следует привести характеристику, которую Д. Уотсон дал своему постоянному напарнику по работе - Ф. Крику.

"У него постоянно появлялись новые идеи, он весь загорался и тут же выкладывал их каждому, кто готов был его слушать".

"Быстрота, с которой он схватывал открытые другими факты и пытался найти их истолкование, часто заставляла сжиматься сердца его приятелей при мысли, что вот-вот он окажется прав и обнажит незрелость их ума, которая до сих пор оставалась скрытой от мира благодаря кембриджской сдержанности и благовоспитанности".

Самая золотая из всех молекул

Среди действующих лиц, перечисленных Д. Уотсоном, остался он сам. Прозвище "Честный Джим", которое дали ему коллеги и друзья, конечно, кое о чем уже говорит. Следует добавить, что, когда этот талантливый ученый приехал из Америки в Кембридж и должен был заниматься изучением структуры белка, ему было всего 24 года. Его суждения о самом себе нередко отличаются полной беспощадностью.

К тому моменту, когда Д. Уотсон и Ф. Крик начали яростный штурм ДНК, ситуация складывалась так. o М. Уилкинс, много лет работавший в Англии над разгадкой строения ДНК, накопил огромный фактический материал и был близок к правильному решению задачи. Р. Фрэнклин - кристаллограф, работавшая с ним вместе, сумела получить отлично выполненные рентгенограммы ДНК. Судя по описанию Д. Уотсона, чисто человеческие отношения Р. Фрэнклин с ним самим, с М. Уилкинсом и Ф. Криком, особенно в начале работы, складывались далеко не лучшим образом. Наконец за несколько тысяч километров от Лондона, в Америке, "легендарный химик" Л. Полинг с не меньшим желанием, чем Д. Уотсон и Ф. Крик, хотел разгадать строение "самой золотой из всех молекул". Это подогревало азарт двух лондонских коллег в честном научном поединке с американцем.

Во всяком случае, Д. Уотсон писал: "Я надеялся, что критическая ситуация, вызванная наступлением Лайнуса на ДНК, заставит Мориса обратиться за помощью к нам с Фрэнсисом".

Истина родилась в дискуссиях и спорах. В который раз обсуждалась очередная рентгенограмма. Снова и снова перестраивалась металлическая конструкция предполагаемой структуры ДНК. Временами им казалось, что строение ДНК разгадано. Но на следующий день наступало горькое разочарование. И наконец пришла удача. Фактически уже через несколько недель после начала работы исследователи поняли: решение почти что найдено.

О том, как это произошло, Д. Уотсон рассказывает: "Я подумал, а что, если каждая молекула ДНК состоит из двух цепей с одинаковой последовательностью оснований, а сцепляют эти цепи водородные связи между парами одинаковых оснований?

К полудню следующего дня от моей схемы не осталось камня на камне. Теперь Фрэнсис занимался только ДНК.

Я направился в лабораторию, где Фрэнсис, который на этот раз пришел раньше меня, раскладывал картонные пары оснований вдоль воображаемой оси. Примерно за час я расположил атомы, как того требовали и рентгенографические данные, и законы стереохимии. Получилась правозакрученная спираль с противоположным направлением цепей.

Фрэнсис повозился с моделью минут 15 и не нашел ошибок".

Согласно Д. Уотсону и Ф. Крику структуру ДНК можно представить следующим образом: две углеводнофосфатные цени, идущие в противоположных направлениях и закрученные одна вокруг другой так, как могла бы закрутиться веревочная лестница, если бы ее вращали по продольной оси. Ступеньками в такой лестнице служили бы пары азотистых оснований, удерживаемых водородными связями. Эти пары были комплементарны, а именно: основанию А всегда соответствовало Т, а Г - всегда Ц.

Таким образом, говоря уже современным языком, двойная спираль является правозаходной, полинуклеотидные цепи антипараллельными и комплементарными. Азотистые основания располагаются в одной плоскости приблизительно перпендикулярно к оси спирали. Если один миллиметр разделить на тысячу равных частей, а потом одну тысячную миллиметра снова разделить на тысячу, получим величину, которую называют ангстрем. Так вот диаметр двойной спирали 20 ангстрем, а расстояние между параллельными плоскостями пар оснований 3,4 ангстрема.

"В самой золотой из всех молекул" существует упорядоченная жесткая система водородных связей между полинуклеотидными цепями. При этом всегда наблюдается определенная закономерность: последовательность оснований в одной цепи определяет последовательность в другой.

И вот наступил тот сладостный момент, когда работа Д. Уотсона и Ф. Крика была завершена. Авторы решили послать готовую статью, которая являлась итогом их выдающейся работы, в журнал "Нейче" ("Природа"). Статья, насчитывающая всего 900 слов, начиналась так: "Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес".

...Значительный биологический интерес... Авторы более чем скромны. Разгадка двуспиральной структуры ДНК была настоящим революционным взрывом в биологии. Еще бы, только теперь можно было представить,, как происходит самовоспроизведение молекул ДНК при делении клетки.

Двойная спираль ДНК раскручивается. Одновременно вокруг каждой из раскрутившихся цепей формируются новые цепи. В результате этого процесса образуются две новые спирали. Каждая из них подчиняется o правилам комплементарности азотистых оснований. А из этого следует, что в двух новых дочерних двойных спиралях та же последовательность оснований, которую имела исходная, материнская, молекула ДНК.

Мудра народная пословица: "Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать". Ученым всегда было заманчиво увидеть, каким образом копируется удивительная молекула ДНК. И не только увидеть, но и сфотографировать с помощью электронного микроскопа. Вопрос этот, как оказалось, совсем не простой для разрешения. Одна из главных трудностей в том, что молекула ДНК в тканях животных чрезвычайно длинная. Поэтому выделить ее из ядра клетки в неповрежденном виде весьма трудно. Более того, эта длинная молекула ДНК легко повреждается, или, как говорят биохимики, очень лабильна.

А вот если бы удалось отыскать молекулу ДНК покороче? Наверное, тогда было бы легче понять и, главное, увидеть, как происходит самокопирование молекулы.

Несколько лет назад в биохимии произошло заметное событие. Было обнаружено, что ДНК содержится не только в ядре клетки, но и в других ее мельчайших образованиях, так называемых митохондриях. Исследователям в определенном смысле повезло. Митохондриальная ДНК из тканей животных сравнительно невелика, всего около пяти микрон. Поэтому выделить ее и приготовить для электронно-микроскопического исследования было попроще.

Вскоре обнаружили, что митохондриальная ДНК имеет форму замкнутого кольца. Каким же образом снимается "копия" с такого кольца?

Исследования в этом направлении начались практически одновременно в нескольких странах: Советском Союзе, США, Голландии... И вот совсем недавно в Москве, в Институте биологии развития Академии наук СССР, в лаборатории профессора И. Збарского удалось сфотографировать митохондриальную ДНК в процессе ее удвоения. Ученые теперь увидели собственными глазами, как снимается копия с молекулы ДНК. Иными словами, как идет процесс репликации.

"Кольцо" митохондриальной ДНК сплетено из двух нитей. На одном из снимков, полученных с помощью электронного микроскопа, было отчетливо видно, как две нити ДНК расплелись на небольшом участке и на одной из нитей идет синтез новой молекулы ДНК. Иными словами, снимается копия. На второй нити синтеза ДНК не происходит.

Самая золотая из всех молекул

На других снимках видно, как со временем кольцо ДНК расплетается все больше и больше, на одной из нитей продолжает строиться новая ДНК, а вторая, свободная, нить становится все длиннее и длиннее. Так продолжается до тех пор, пока полностью не снимается копия с одной нити. После этого начинается процесс удвоения второй, свободной, нити ДНК. Процесс этот идет с помощью фермента, который называется ДНК-полимераза. Остается добавить, что митохондриальную ДНК, о которой было только что рассказано, выделили из печени лабораторных крыс.

Эпоха "великих географических открытий" в молекулярной биологии только начинается. Мы еще очень мало знаем и понимаем физико-химические механизмы функционирования ДНК. Откуда и как поступает команда молекуле начинать процесс воспроизведения? Почему некоторые бактериофаги имеют однотяжевую ДНК, а внутри бактериальной клетки эта ДНК приобретает форму двойной спирали? Можно задать десятки подобных вопросов. Одним словом, надо сказать, что только сейчас мы начинаем понимать, как мало знаем о молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты. Так что работы хватит на всех и не на одно поколение.

Наш короткий рассказ о структуре "самой золотой молекулы" подошел к концу. В 1962 году Д. Уотсон и Ф. Крик были удостоены Нобелевской премии за установление структуры ДНК - главного генетического материала клетки, хранящего всю информацию о наследственных признаках организма. Ученые в разных странах с глубоким удовлетворением встретили сообщение, что одновременно с этими исследователями за разгадку структуры ДНК Нобелевской премией был награжден и М. Уилкинс.