Нуклеиновые кислоты делает человек

Знаете ли вы, кто такие баски? Скорее всего - нет. И не мудрено: на земном шаре их всего около миллиона. Баски - остатки древнейшего населения Пиренейского полуострова. Люди, которым за сорок, помнят, вероятно, что до войны была знаменитая футбольная команда басков. А после войны одному из потомков этого свободолюбивого народа выпало на долю внести несколько существеннейших вкладов в молекулярную биологию.

Имя этого человека Северо Очоа. Он родился в 1905 году в деревне Луарка в провинции Астурия на северном берегу Испании. До 1936 года его деятельность протекала на родине, где он прошел путь до заведующего отделом физиологии в Мадридском университете. Но когда вспыхнул фашистский мятеж генерала Франко, Очоа навсегда покинул родину. Вначале он нашел приют в Германии, в лаборатории Мейергофа, у которого работал и раньше, в 1937 году переехал в Англию, а в 1941 - в Соединенные Штаты. Несмотря на трудную судьбу, Очоа успел сделать исключительно много и до сих пор не теряет энергии и бодрости. Мы не будем останавливаться на большинстве его работ, так как они носят слишком специальный характер, начнем с 1955 года, когда ученый уже был знаменит, а его имя с уважением называл любой биохимик.

Любое явление природы только тогда можно считать познанным, когда человек способен сам его воспроизвести. Что касается нуклеиновых кислот, то познание их шло очень медленно. Но честь искусственного получения нуклеиновой кислоты выпала на долю Очоа. В 1955 году Северо Очоа вместе с прикомандированной к его лаборатории молодой француженкой Марианной Грюнберг-Манаго выделил из бактериальных клеток новый, дотоле никому не известный фермент, обладавший удивительными свойствами. В присутствии этого фермента отдельные нуклеотиды соединялись в длинные цепи. Получающиеся при этом полимеры ничем, абсолютно ничем не отличались от естественной РНК. Правда, нужно заметить, что для этого приходилось брать не совсем обычные нуклеотиды. Чтобы собрать их воедино, нужно затратить довольно большую энергию. В ходе жизненных процессов энергия чаще всего запасается в виде фосфорных связей. И для образования РНК используются нуклеотиды с присоединенными к ним добавочными фосфорными группами. При их отщеплении выделяется необходимая энергия.

Это, конечно, было выдающейся - победой, так как знаменовало собой первый шаг в активном освоении человеком нуклеиновых кислот. За это открытие Очоа в 1959 году была присуждена Нобелевская премия. Но сказанным значение работы Очоа не ограничивается. Как мы увидим, несколько позже она сыграла исключительную роль в расшифровке генетического кода.

Дальнейшие работы показали, что открытый фермент содержится не только в тех бактериях, из которых он был первоначально выделен. Этого и следовало ожидать - законы природы, как правило, всеобщи. Но всегда речь шла только о РНК. ДНК таким способом искусственно синтезировать не удавалось. Однако долго ждать не пришлось. Вскоре и ДНК также была получена в пробирке. Методика ее синтеза была в общем-то похожа на методику получения РНК, но одна деталь была принципиально иной и очень важной. Чтобы происходила сборка новых молекул ДНК, нужна была затравка в виде уже готовой ДНК. Без нее синтез не шел. Но стоило добавить хоть самое небольшое количество ДНК, как синтез начинался.

Помните гипотезу Крика - Уотсона? Они ведь предположили, что молекулы ДНК могут самовоспроизводиться. Конечно, затравка могла играть и какую-нибудь другую роль. Но Артур Корнберг, который со своими сотрудниками разработал этот метод, самым тщательным образом исследовал получающийся продукт. Оказалось, что новая ДНК обладает всеми свойствами затравки!

Таким образом, было, наконец, и экспериментально доказано, что размножающиеся молекулы существуют. Это произошло почти через 30 лет после того, как Кольцов выдвинул свое положение: "Каждая молекула из молекулы", и через три года после того, как Уотсон и Крик заподозрили ДНК в том, что именно она обладает этим замечательным свойством и лежит у истоков жизненных явлений.

Таким образом, одно из предсказаний теоретиков подтвердилось в прямых опытах. Было доказано, что ДНК обладает способностью к самовоспроизведению. Оставалось еще доказать, что нуклеиновые кислоты действительно определяют специфичность белковых молекул. Ждать этого пришлось дольше. Правда, многие ученые продолжали получать те или иные "намеки" на участие нуклеиновых кислот в синтезе белков, но это не были доказательства. Бесспорные доказательства пришли только в 1961 году. Тогда мир услышал сразу о двух независимых доказательствах.

Мне повезло, так как я волею случая оказался в числе первых людей, узнавших об этих открытиях. Обе работы, о которых пойдет речь, были впервые доложены на Международном биохимическом конгрессе в Москве, на котором присутствовал и я.

Памятники ставят не только реальным людям. Существует памятник Шерлоку Холмсу, памятник Тому Сойеру и Гекльберри Финну. А Иван Петрович Павлов распорядился поставить перед зданием своего института памятник Собаке - тому лабораторному животному, благодаря которому было создано учение о высшей нервной деятельности. Генетики нередко поговаривают, что неплохо было бы воздвигнуть памятник Дрозофиле. Что ж, такое возможно. Но трудно было бы изваять памятник "героям" создания молекулярной генетики. Пришлось бы изображать в мраморе или бронзе фигуры вируса табачной мозаики или кишечной палочки.

Вирус мозаичной болезни табака издавна привлекал многих исследователей. Обратил на него внимание и немецкий ботаник Георг Мельхерс, начавший заниматься им еще до войны в биологическом институте в Далеме, пригороде Берлина. В 1942 году он описал интересную мутацию этого вируса, а затем вместе с химиком Герхардом Шраммом (тем, что позже сумел вызвать мозаичную болезнь с помощью чистой нуклеиновой кислоты) занялся изучением вопроса о механизме размножения этого вируса. Используя в качестве метки радиоактивный фосфор, они пытались выяснить, в какой форме берет вирус строительные вещества из клеток растения. Но тогда эти исследования были только начаты.

После окончания войны и Мельхерс и Шрамм оказались вместе в небольшом средневековом городке Тюбингене. Правда, в разных институтах. Но совместная работа возобновилась. Шрамм вместе со своим молодым сотрудником Гирером исследовал действие азотистой кислоты на РНК. Азотистая кислота - вещество очень простое, и потому довольно легко анализировать механизм ее действия. Оказалось, что она может делать с РНК очень немногое: под ее действием в конечном счете одна из "мастей" - так называемый цитозин - превращается в урацил, а другая, аденин, превращается в гуанин. Больше ничего при действии азотистой кислоты с РНК произойти не может. Это точные химические данные.

Интересно было посмотреть, - что произойдет с вирусом табачной мозаики, главной составной частью которого является РНК, если на него подействовать азотистой кислотой. Такие опыты были поставлены, и оказалось, что после обработки азотистой кислотой инфекционная способность вируса сильно падает и, что еще более интересно, в довольно большом количестве возникают мутации - вирусы с наследственно измененными свойствами. Выходило, что изменение РНК меняло наследственные свойства вируса.

Природой этих наследственных изменений занялись в лаборатории Мельхерса. Это было связано с очень трудоемкой работой, но, как говорится, игра стоила свеч. Мельхерс поручил эти исследования работавшему у него молодому физику (лучше сказать, бывшему физику, как и большинство современных молекулярных биологов) X. Г. Виттману. Работа состояла в следующем. Вирус табачной мозаики (или выделенную из него РНК) обрабатывали азотистой кислотой и производили заражение табака. На листьях развивались поражения - пятнышки, от которых болезнь и берет свое название.

Хотя эти пятнышки и видны простым глазом, но каждое из них берет начало от одной-единственной вирусной частицы, поэтому все вирусные частицы в одном пятне совершенно одинаковы. В результате мутации вирус дает измененные поражения. Каждое из таких измененных пятнышек вырезалось, а затем, после повторных заражений растений, набиралось такое количество измененного вируса, что его можно было подвергать подробному химическому анализу. А анализ состоял в точном выяснении порядка, в котором расположены аминокислоты в вирусном белке. Что же касается этого белка, то в его молекулах их ни много ни мало - 158. Представляете, что это была за адская работа! Но полученные результаты вполне оправдали ее.

Оказалось, что у вирусов, изменивших наследственные свойства, белок изменен, причем, как правило, измененной оказывается одна-единственная аминокислота. Например, на 59-м месте в нормальном вирусном белке расположена аминокислота треонин, а у одной из мутаций на том же месте - изолейцин, что же касается остальных 157, то они у обоих сортов вируса совершенно одинаковы. Уже из одного этого факта можно сделать несколько важных выводов.

Во-первых, эти опыты показывают, что наследственное изменение связано с изменением строения белка. Во-вторых, чтобы вызвать изменение внешних признаков, достаточно самого небольшого изменения белковой молекулы. В-третьих, и это самое важное, поскольку в результате действия азотистой кислоты в РНК одни "масти" заменяются на другие и это ведет к изменению белка, выходит, что последовательность аминокислот в белках определяется последовательностью нуклеотидов в нуклеиновой кислоте. Гипотеза Гамова была таким образом подтверждена экспериментально.

Внимательный читатель может заметить, что в гипотезе Гамова речь шла вовсе не о РНК, а о ДНК. Но ведь там говорилось о клетках высших организмов, у которых есть хромосомы, состоящие из ДНК и белка. Вирусы же - самые примитивные существа, даже не клетки, стоящие на грани между живым и неживым. У них нет, естественно, ни ядра, ни хромосом. Роль хромосом у них играют отдельные молекулы нуклеиновой кислоты. Большинство растительных вирусов вообще не содержит ДНК, но РНК этих вирусов функционально играет ту же роль, что ДНК у других организмов.

Именно об этих важнейших опытах с вирусом табачной мозаики и рассказал Виттман в своем докладе на конгрессе в Москве.

Во время конгресса мне пришлось познакомиться с Мельхерсом, учителем и тогдашним руководителем Виттмана. Разговор вращался, естественно, вокруг вопросов, интересовавших нас обоих, - мы говорили о генах, мутациях, РНК и ДНК. Конечно, мы не во всем соглашались. Я рассказывал о своих опытах по вызыванию мутаций у растений с помощью радиации. Мельхерс соглашался, что полученные нами результаты представляют какой-то интерес, но в общем-то убеждал меня в том, что эту работу нужно бросать. Спорить с Мельхерсом трудно. Представьте себе детину, фигура которого украсила бы любую баскетбольную команду, начиненного совершенно немыслимой энергией. Когда он спокойно разговаривает, каждое слово без труда услышишь в соседней комнате, но если спорит... Представляете, какой шум он поднимает, когда начинает спорить! А Мельхерс был совершенно убежден в том, что сейчас все генетики должны переходить на работу с вирусами (лучше всего, конечно, с вирусом табачной мозаики) и вызывать мутации только химическими веществами (лучше всего, конечно, азотистой кислотой)!

- Вы слышали доклад Виттмана? - кричал он на меня. - Ведь это же грандиозно! Разве мыслимо было бы получить такие результаты на дрозофиле или на горохе! Разве могут дать такие ясные результаты рентгеновы или гамма-лучи?! Впрочем, то, о чем он сегодня рассказывал, только начало. Вот посмотрите, продолжая эти опыты, мы и генетический код расшифруем!

Когда споришь с Мельхерсом, лучше всего молчать. Но здесь я не выдержал: хорошо, все это очень интересно и поучительно, однако как можно с помощью этих опытов расшифровывать код, совершенно не ясно.

- С помощью того, что сейчас сделано, конечно, нельзя ничего расшифровать. Но кое-что уже сказать можно. Например, мы уже знаем, что под действием азотистой кислоты пролин может замещаться на лейцин. С другой стороны, мы знаем, что это вещество вызывает в РНК замену Ц на У и А на Г. Значит, и это мы можем сказать уже сегодня, в состав триплета, кодирующего пролин, входит либо Ц, либо А, а в состав триплета, кодирующего лейцин, - либо У, либо Г. Когда мы найдем еще несколько веществ с таким же специфическим действием, как азотистая кислота, и проанализируем для каждого вещества по нескольку сотен мутаций, расшифровка кода сведется к несложной математической задаче.

- Для чего потребуется работа двухсот человек в течение ста лет, - пытаюсь возражать я.

- Достаточно одного ученого с полудюжиной лаборантов. Мы уже установили автоматические анализаторы аминокислот, которые круглосуточно анализируют одну мутацию за другой. Дайте мне ваш адрес. Не пройдет и полгода, как вы получите от нас статью по этому вопросу. Правда, через полгода расшифровка кода будет далеко не полная, но начало будет сделано!

Верить ему было, конечно, трудно, но слушать очень интересно.