Улики накапливаются

Результаты, полученные Эвери, были настолько убедительными, что на нуклеиновую кислоту многие обратили серьезное внимание. И доказательства, подобные результатам Эвери, стали получать одни ученые за другими. Мы здесь расскажем только о двух направлениях этих работ.

Первое из них касается размножения бактериофагов. Бактериофаги - это бактериальные вирусы, мельчайшие паразиты. В обычный микроскоп их не видно, для их изучения нужен электронный микроскоп. Устроены бактериофаги (или, как их для краткости называют, фаги) довольно просто. Это длинная нить нуклеиновой кислоты, свернутая в клубочек и окруженная белком.

Одной частицы фага вполне достаточно, чтобы заразить бактерию. Потом события развиваются поистине драматически. Через каких-нибудь полчаса бактерия гибнет, ее оболочка разрывается, и в окружающую среду выходит около сотни новых, вполне сформированных фагов.

Это явление занимает многих ученых. Они надеются (и не без оснований), что изучение бактериофага поможет им раскрыть некоторые важнейшие загадки жизни. Законы природы едины для всех живых организмов, и легче их исследовать на наиболее простых объектах (а что может быть проще вирусов и фагов - частиц, стоящих на границе между мертвой и живой природой!). С другой стороны, процесс размножения и развития у фагов происходит очень быстро. То, что на бактериофагах можно изучить за один рабочий день, в опытах на слонах потребовало бы несколько веков.

Прежде всего надо было выяснить детали процесса заражения бактерий, узнать, что проникает внутрь бактерии - вся фаговая частица или только ее часть? Какие составные части фага необходимы для его размножения? В числе других ученых бились над этой задачей два американца - Херши и Чейс.

Задача была не из легких. И бактерии-то видны в микроскоп в виде мелких знаков препинания (точки, запятые, палочки...). Редко, когда удается различить в них какие-нибудь детали. А речь идет о бактериальных паразитах, более того - об отдельных их частях. Здесь даже электронный микроскоп не поможет. Во времена Кольцова (о Менделе и говорить нечего) эта задача была бы просто неразрешима. Но в наши дни биологам на помощь приходят другие науки. Херши и Чейсу помогла физика.

Все химические элементы имеют по нескольку изотопов - разновидностей атомов, которые химически ведут себя одинаково, но обладают разными физическими свойствами. Теперь физики умеют искусственно получать для любого элемента его радиоактивные изотопы - атомы, испускающие радиоактивное излучение. Это излучение нетрудно обнаружить с помощью специальных приборов, которые есть в любой современной лаборатории. И что особенно важно - радиоактивные вещества можно обнаруживать в таких малых количествах, какие любыми другими методами обнаружить невозможно.

Поскольку изотопы одного и того же элемента ведут себя совершенно одинаково, то, если к обычному веществу подмешать небольшое количество его радиоактивного изотопа, он поведет себя совершенно так же, как и остальное вещество, но в отличие от него будет все время посылать радиоактивные сигналы, по которым его всюду можно обнаружить и тем самым выяснить судьбу всего исследуемого вещества. Такие радиоактивные ("меченые", как их образно называют) атомы оказывают неоценимую службу современной науке, и дальше нам еще придется с ними встретиться. Меченые атомы помогли решить и задачу, о которой речь идет сейчас.

Идея была проста: "пометить" с помощью радиоактивных атомов разные части бактериофага. Как мы уже знаем, бактериофаг состоит из нуклеиновой кислоты и белка. В белке довольно много серы и практически нет фосфора. Нуклеиновая кислота содержит много фосфора и совсем не содержит серы. Поэтому если ввести в бактериофаг радиоактивный фосфор, он попадет в нуклеиновую кислоту, и по радиоактивным сигналам можно будет следить за ее судьбой. Точно так же с помощью радиоактивной серы можно изучать судьбу белка.

Но как ввести метку в бактериофаг? Бактерий, обыкновенных бактерий, не зараженных бактериофагом, стали разводить на питательной среде, содержавшей большое количество радиоактивного фосфора и радиоактивной серы. В результате бактерии оказались начинены большим количеством меченых атомов. Потом бактерий заразили бактериофагом. Его потомство, вышедшее из меченой бактерии, естественно, тоже содержало радиоактивную метку. Причем если применялся радиоактивный фосфор, меченой была только нуклеиновая кислота, а если применялась сера, меченым оказывался белок.

После этого можно было ставить решающий опыт. Взяли меченых таким образом бактериофагов и ввели в культуру, в которой находились нормальные, немеченые бактерии. Спустя некоторое время, достаточное для заражения бактерий, их извлекли из культуры, соблюдая все меры, чтобы с ними вместе не попал свободный бактериофаг, и поместили под счетную трубку, обнаруживающую радиоактивные частицы. И оказалось, что бактерии посылали сигналы только в том случае, если бактериофагов метили радиоактивным фосфором. Радиоактивная сера внутрь бактерии не попадала. Значит, при заражении бактерии внутрь проникает только нуклеиновая кислота; белковая оболочка бактериофага остается снаружи.

Но самое удивительное, что внутри бактерии формируется вполне готовый бактериофаг, содержащий специфичный фаговый белок. Ни один из белков бактериальной клетки не обладает свойствами фагового. Неужели нуклеиновая кислота строит специфический белок? Это казалось удивительным, но иначе полученные результаты объяснить было нельзя. Эти опыты, проведенные еще в 1952 году, не менее ясно, чем опыты с пневмококками, говорили о генетической роли нуклеиновой кислоты.

Стоит рассказать и об опытах с вирусом табачной мозаики. Вирус табачной мозаики (ВТМ, как его для краткости называют) - первый вирус, который вообще обнаружили ученые. Его открыл в 1892 году Дмитрий Иванович Ивановский. Но ВТМ был не просто первым вирусом, представшим перед учеными, он оказался еще и исключительно удобным объектом для экспериментальной работы. И первым вирусом, полученным в кристаллической форме, стал именно ВТМ. Первым живым существом, полученным искусственно в лаборатории, оказался тоже ВТМ. И об этом сейчас как раз и пойдет речь.

ВТМ, так же как и фаг, представляет собой нуклеиновую кислоту, окруженную белковым чехлом. В 1955 году Френкель-Конрат разделил ВТМ на его составные части - белок и нуклеиновую кислоту. Были получены два чистых химических вещества (правда, получены не химически, а взяты взаймы у природы). Затем ученый смешал оба вещества вместе, и эту смесь нанес на листья табака. У растения развились характерные симптомы мозаичной болезни. Таким образом из двух химических веществ впервые в лаборатории было получено простейшее живое существо.

Следующий шаг состоял в том, чтобы взять белок от одного ВТМ, а нуклеиновую кислоту от другого (а ВТМ имеет целый ряд разновидностей). Опыты прошли успешно. Но если вы думаете, что в этих опытах, как и в опытах Менделя по скрещиванию гороха, потомство фагов имело признаки обоих "родителей", то ошибаетесь. Во всех случаях потомство обладало только признаками родителя, от которого взяли нуклеиновую кислоту. Причем это распространилось и на свойства вирусного белка. Другими словами, из этих опытов следовал тот же вывод, что и из предыдущих. Интересно, что вскоре другой ученый, Герхард Шрамм, сумел получить ВТМ, смазав листья табака чистой нуклеиновой кислотой, не содержавшей даже следов белка, то есть добиться на ВТМ того же результата, что Херши и Чейс получили на бактериофаге.

Итак, все больше и больше данных говорило, что нуклеиновая кислота играет исключительно важную генетическую роль. Некоторые ученые начинали даже подозревать, что именно она и есть то самое вещество наследственности, из которого состоят таинственные гены. Но как же это увязать с представлением, что нуклеиновая кислота состоит из небольших молекул и что все эти молекулы больше похожи друг на друга, чем оловянные солдатики из одной коробки? Почему это не смущало ученых?

А это их действительно не смущало. И не смущало потому, что и химики стали совершенно иначе смотреть на нуклеиновую кислоту, чем во времена Мишера и Кольцова. Как же на самом деле построена нуклеиновая кислота? Нам это нужно знать. И для этого придется совершить экскурсию в область химии.

Прежде чем разбираться в строении нуклеиновой кислоты, вспомним, как построены белки. Как дома строят из кирпичей, а слова из букв, так и белки построены из более простых молекул - аминокислот. Сравнение со словами, пожалуй, удобнее. Кирпичи - все одинаковы, а буквы разные. Аминокислоты тоже разные, и всего в построении белков участвуют 20 разных аминокислот - почти столько же, сколько букв в алфавите. И, так же как буквы, аминокислоты располагаются в линейном порядке: друг за другом. Аминокислотный состав разных белков различен, однако значение имеет не только состав, но и порядок аминокислот. Совершенно ясно, что как из букв алфавита можно составить практически бесконечное множество слов, так из 20 аминокислот можно построить почти бесконечное число разных белков.

Что касается нуклеиновой кислоты, то она тоже состоит из более простых молекул - нуклеотидов. Но если белок строят 20 аминокислот, то нуклеотидов всего четыре. И что самое главное - у всех нуклеиновых кислот состав примерно одинаков. Всех нуклеотидов в ней приблизительно поровну. Правда, анализы никогда не давали ровно по 25 процентов, но это вполне могло объясняться ошибкой анализов, точность которых была вначале невелика. Поэтому долгие годы общепризнанной была тетрануклеотидная гипотеза. Согласно этой гипотезе молекула нуклеиновой кислоты состоит из четырех нуклеотидов четырех разных сортов.

С течением времени выяснилось, что молекула нуклеиновой кислоты имеет значительно большие размеры, чем думали вначале. И постепенно она становилась все больше и больше. Нуклеиновая кислота легко разрушается, и вначале химики имели дело только с ее обломками. Ну что ж, стали считать, что большие молекулы состоят из большого числа одинаковых "четверок".

Мы сказали, что ученые с самого начала думали, будто все молекулы нуклеиновой кислоты одинаковы. Это не совсем так. Вернее, это правильно для нуклеиновой кислоты, получаемой из клеточного ядра. Но она есть не только в клеточном ядре. Нуклеиновая кислота из других частей клетки имеет несколько иной состав, что было ясно с самого начала.

Нуклеотиды, из которых построены нуклеиновые кислоты, сами по себе имеют сложное строение. Каждый состоит из остатка фосфорной кислоты, молекулы сахара и еще одной молекулы, так называемого основания. Все молекулы фосфорной кислоты и все молекулы сахара в ядерной нуклеиновой кислоте одинаковы. Нуклеотиды отличаются тем, что содержат разные основания четырех разных сортов.

Цитоплазматическая нуклеиновая кислота отличается от ядерной только тем, что в ее состав входит другой тип сахара и что одно из четырех оснований немного изменено (три остальных в обеих нуклеиновых кислотах одинаковы). Ядерную нуклеиновую кислоту называют теперь дезоксирибонуклеиновая кислота. Слово длинное, и вместо него обычно пишут три буквы - ДНК. И не только пишут, но так и говорят: Дэ-Эн-Ка. Цитоплазматическую называют рибонуклеиновая кислота (РНК).

Любая нуклеиновая кислота - и ДНК и РНК - содержит приблизительно одинаковое количество всех четырех нуклеотидов. Методы анализа улучшались, получались все новые цифры, но соотношение нуклеотидов продолжало оставаться лишь приблизительно равным. И даже когда точность анализа стала такой высокой, что следовало бы уже получить не приблизительные цифры, а вполне точные, они продолжали колебаться.

И самое удивительное, что у разных ученых в разных лабораториях получались как будто одни и те же ошибки. Работают, скажем, с одной и той же бактерией, известной ученым под именем Аэробактер аэрогенес. Один ученый находит, что аденина (это название одного из четырех оснований) в ней 20,5 процента вместо ожидаемых 25. Другой повторяет его опыт и получает цифру 21,3 процента, третий - 21,2, четвертый - 20,3. (Эти числа не придуманы для примера, а взяты из научных работ.) Цифры, конечно, колеблются. Но везде получается около 21 процента, и ошибка анализа, как видно из этих цифр, везде меньше одного процента. Так что отклонение от 25 процентов случайной ошибкой не объяснить.

Двое ученых особенно заинтересовались колебаниями состава нуклеиновых кислот, точнее, дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК. Один из них наш соотечественник - Андрей Николаевич Белозерский, профессор Московского университета, другой - американец Эрвин Чаргаф, профессор Колумбийского университета в Нью-Йорке. Каждый исследовал огромные количества образцов нуклеиновой кислоты самого разнообразного происхождения, применяя точнейшие методы химического анализа. И каждый сделал вывод: нуклеиновые кислоты обладают видовой специфичностью.

Каждый вид содержит нуклеиновую кислоту вполне определенного состава. Из какого бы органа, скажем, у морской свинки - из печени, селезенки, мозга, мышц, - ни извлекали нуклеиновую кислоту, она имела один и тот же состав. А если анализировали нуклеиновую кислоту крысы, то получали несколько иные цифры (но опять-таки для всех ее органов одинаковые). Значит, нуклеиновые кислоты (приходится теперь это слово употреблять во множественном числе) могут быть весьма разнообразными. А как же с тетрануклеотидной гипотезой? Пришлось ее отбросить как противоречащую фактам.

Следовательно, к тому времени, как Эвери, Херши, Шрамм и другие получили свои удивительные результаты, говорившие о генетической роли нуклеиновых кислот, химические данные их выводам уже не противоречили. Химики знали теперь две группы органических веществ, которые могут обеспечить очень высокое разнообразие, - такими веществами были не только белки, но и нуклеиновые кислоты.

Легко рассуждать, глядя назад. Листая старые комплекты журналов, нет-нет да и найдешь какие-нибудь данные, говорящие о генетической роли нуклеиновых кислот. Но теперь-то нам гораздо проще правильно оценивать эти данные.

Теперь мы можем сделать тот же вывод и на основании фактов 70-летней давности! В 1896 году немецкий химик Альбрехт Коссель исследовал состав молок лосося. В клеточных ядрах, как это уже выяснил Мишер, содержались ДНК и белок. Но белка было вдвое меньше. И белка очень своеобразного. Молекулы его были небольших размеров и процентов на 80-90 составлены из одной-единственной аминокислоты - аргинина. Поистине удивительные результаты, особенно удивительные потому, что речь идет о молоках, служащих для оплодотворения икры, через которые передаются все признаки со стороны отца.

Наследственное вещество, если оно существует, обязательно должно содержаться в молоках. Но как раз те белки, которые обнаружил здесь Коссель, мало подходили для такой ответственной роли. Ведь столь однообразное строение протаминов (так назвал эти белки еще Мишер) не может обеспечить большого разнообразия белковых молекул и тем самым передачу большой наследственной информации.

Действительно, если мы представим себе цепочку из 10 разных аминокислот, число разных последовательностей, которые можно получить из нее путем перестановки, равно 3628800. Если же из этих десяти аминокислот восемь одинаковых, число разных комбинаций уменьшается до 90. Таким образом, протамины, содержащиеся в молоках, способны хранить в 40 тысяч раз меньше информации, чем обычные белки. Странно? Безусловно. А между тем в ядрах других клеток, не имеющих отношения к воспроизведению потомства, содержатся не протамины, а другие белки, так называемые гистоны, значительно более сложного состава. Но в те далекие времена на основании одних этих данных невозможно было отвергнуть роль белков в передаче наследственных признаков и приписать эту роль нуклеиновым кислотам.

Теперь, оглядываясь назад, мы на многое смотрим по-другому. С самого начала было известно, что ДНК содержится только в клеточном ядре (отсюда и название - нуклеиновая кислота), потом выяснилось, что она содержится только в хромосомах. А раз гены находятся в хромосомах, не заставляет ли это заподозрить ДНК в том, что она имеет к ним отношение? Давным-давно сформулирован закон постоянства количества ДНК на клетку - во всех диплоидных клетках данного организма содержится строго определенное количество ДНК. Именно таким свойством и должен обладать наследственный материал.

Но подозрительным все это кажется сейчас. В течение долгих лет господства тетрануклеотидной теории нуклеиновая кислота казалась неинтересным веществом. У биохимиков она была на положении Золушки. А генетикам не было дела до биохимии, в том числе и до нуклеиновых кислот.

Однако к началу 50-х годов накопилось достаточно оснований считать нуклеиновые кислоты не менее важными веществами с генетической точки зрения, чем белки. Именно не менее. Утверждать, что они более важны, мало кто решался. Для этого нужно было выяснить строение нуклеиновых кислот и больше узнать об их функции в организме. Но многим было ясно, что в области генетики наступает пора великих открытий. Поэтому когда открытия, о которых у нас пойдет речь в следующих главах, совершились, их не постигла судьба работы Менделя. Они сразу оказались в центре внимания ученых.