Микробы "открывают" наследственное вещество

Перенесемся мысленно в прошлое. Англия, 1928 год. Тихая лаборатория. У окна за столом - ученый. Это Гриффитс, известный микробиолог. Много лет отдал он изучению загадок жизни пневмококков, этих закутанных в слизистую капсулу невидимок, вызывающих крупозное воспаление легких. Ученый хотел постигнуть, с чем связана губительная сила пневмококков. Может быть, с капсулой? Лишенные капсулы микробы уже не убивают мышей, а ведь известно, что мышь на редкость чувствительна к ним, ее способна поразить насмерть даже одна микробная клетка!

...Сегодня ответственный эксперимент. Мышам ввели смесь из живых, беекапсульных, безвредных пневмококков и убитых нагреванием капсульных. К полной неожиданности наблюдателей, все мыши погибли. Но сюрпризы на этом не кончились. Когда Гриффитс стал изучать невидимых виновников смерти, все они оказались обряжены в капсулу. В ту самую, которую "носили" мертвые пневмококки, как будто они каким-то таинственным образом "научили" живых строить себе точно такую же.

Объяснить этот "подвиг" пневмококков ни Гриффитс, ни его последователи не смогли.

В течение последующих 10 лет американцы Эвери, Маклеод и Мак-Карти упорно изучали химическую природу загадочного фактора, который содержался в экстрактах из капсульных пневмококков, пытаясь понять, из чего он состоит: из нуклеиновых кислот? Белка? Пока однажды опыты не ответили на этот вопрос. Виновником оказалась... дезоксирибонуклеиновая кислота, очищенная от белка и рибонуклеиновой кислоты. А ведь все ждали, что активным началом экстракта будет вещество капсулы, как предполагал Гриффитс, или хотя бы белок. Ошибка? Нет. Магическое вещество разрушалось ферментом-дезоксирибонуклеазой, а она действует только на одно вещество - ДНК. Значит, именно ДНК способна совершить чудо метаморфозы наследственности.

Это открытие потрясло весь ученый мир. 1944 год стал переломным в современной генетике и молекулярной биологии: впервые на языке химии было названо вещество, несущее наследственность. И такие понятия, как "генетическая детерминанта", "ген", "фактор наследственности", приобрели конкретное содержание.

Эвери получил химически чистый продукт, который, как он полагал, не содержал белка и разрушался ДНК-азой. Однако другие ученые усомнились в этой чистоте, и действительно, белок там был найден.

Правда, его было очень мало - каких-нибудь 0,02%. Если белок нес наследственные задатки, то приходилось признавать за ним неслыханную активность.

Но даже это еще ничего не говорит о его роли в передаче наследственности. Ведь по мере очищения препарата от белков его активность увеличивается, по мере очищения от ДНК - уменьшается. Позднее, в 1957 году, было доказано, что при трансформации ДНК, меченной фосфором, метка необратимо включается в трансформированные бактерии. Если при этих данных трансформирующий фактор все же не ДНК, то он, очевидно, настолько странное вещество, что его даже трудно себе представить!

Увлеченные удачей первых исследователей, изучением явления трансформации (так назвали изменение наследственности под влиянием ДНК) занялись другие ученые. Они с изумлением обнаружили, что ДНК пневмококков может передавать способность усваивать различные питательные вещества, признак устойчивости к стрептомицину и пенициллину и другие...

Перечень видов, у которых удалось воспроизвести трансформацию, был дополнен менингококками, стрептококками, сенной палочкой и др. Экспериментаторы убедились, что трансформация в мире невидимых не такая уж редкость и осуществляется с частотой одна клетка на тысячу. Она, видимо, играет важную роль в естественных условиях обитания бактерий как средство их изменчивости. Способность трансформироваться зависит от вида бактерии, от состояния, в котором она находится в этот момент, а также от состава среды. Но вот что остается неясным: каким образом молекула ДНК таранит оболочку бактерии? Ведь кусочки ДНК, проникающие в клетку при трансформации, не имеют "таранов", роль которых при трансдукции выполняют фаги. А эти кусочки не так уж малы, их вес достигает 4•10⁵ (иногда и более), что составляет 1/200-1/500 хромосомы бактерии.

Исследователи пришли к выводу, что в жизни клеток есть фаза, когда они особенно предрасположены к приему "чужой" ДНК, - состояние компетентности. Оно, видимо, связано с появлением на поверхности клеток особых участков, в которых были обнаружены особые активные белки.

Второе подтверждение наследственной роли ДНК пришло из царства фагов в лабораторию американских ученых Херши и Чейз. Экспериментаторы знали, что фаг состоит из ДНК, заключенной в белковую оболочку. Проникнув в клетку, он воспроизводит там свои белки и ДНК... Но что, собственно, проникает в бактерию: вся частица фага, только белок или только ДНК? Ведь если в клетку проникает только ДНК фага, направляя там синтез фаговых (а не бактериальных!) белков, значит, в ней (и только в ней!) закодирована вся информация, значит, она - наследственное вещество. Такова была направляющая версия опытов Херши и Чейз.

Чтобы достичь своей цели, они вырастили бактерии на питательной среде, содержащей радиоактивную серу и радиоактивный фосфор. Затем на этих бактериях размножили фаг - и он включил в свое тело оба элемента: серу - в белки (т. е. в оболочку), фосфор - в ДНК.

Теперь можно было следить за судьбой белка и нуклеиновой кислоты фага порознь. Такой дважды меченный фаг "напустили" на обыкновенных бактерий, в которых не было и следа радиоактивности. Через 10 минут (время, достаточное для того, чтобы фаг адсорбировался и проник внутрь) отделили фаг, оставшийся на поверхности клеток, 6т самих клеток. И что же? Внутри атакованных бактерий обнаружили только радиоактивный фосфор - немой свидетель того, что внутрь клетки проникла ДНК. Белок, меченный серой, туда не попал. Более того. Потомство фага получило только одну метку - фосфорную, причем без изъянов и уродств. Словом, опыт Херши и Чейз показал: белковая оболочка непосредственно не участвует в передаче генетической информации, в синтезе новых частиц фага. Это был чрезвычайно важный довод в пользу того, что код наследственности организмов зашифрован в ДНК. Однако и роль белка окончательно не опровергалась.

Смотрите сами. Фаг можно "раздеть" - отделить нуклеиновую кислоту от оболочки, стоит только перенести его из концентрированного раствора поваренной соли в холодную дистиллированную воду. При этом ДНК отделится от белка и расплющится на пустых телах фага в виде беспорядочно перепутанных нитей. Фаговые "тени" еще способны адсорбироваться на поверхности бактериальных клеток, но подобно всем теням они мертвы и не могут заражать бактериальную клетку или просто тормозить синтез РНК и белка. Бактерии иной раз даже растворяются и погибают, но... никакого потомства фага не дают. Белок оболочки, таким образом, не передает генетическую информацию. Он "соучастник", а не "главное лицо" в этом процессе. Но Херши показал, что к новому поколению фагов все же переходит 3 процента белка родителей. Откуда же он берется? Может быть, это белок втулкообразной части хвоста или белок содержимого головки, связанный с ДНК? И вот что любопытно: если этого белка нет, синтеза ДНК и белков оболочки фага не происходит. Между прочим, наблюдали даже большое сходство между этим таинственным белком и белком содержимого головки фага. Может быть, это одно и то же?

Ученые решили попытаться инфицировать бактерию не самим фагом, а его нуклеиновой кислотой, освобожденной от каких бы то ни было следов белка. Ведь если бы удалось втиснуть внутрь бактериальной клетки "голую" ДНК фага и заставить ее воспроизвести там потомков, это было бы очевидное доказательство, что именно в ДНК зашифрована вся наследственная информация фаговой частицы, что и белок втулкообразной части хвоста ни при чем. Но эти опыты удались не сразу, для чистых ДНК фагов бактериальная оболочка обернулась гранитной стеной. И тогда наука пошла "в обход".

Прежде всего ученые решили раздеть бактерии, - для этого стоит лишь омыть их определенной концентрацией антибиотиков или поместить на время в раствор фермента. Не прикрытые оболочкой бактерии живут и, что самое важное, могут служить местом размножения фагов.

Но даже и такие "раздетые" бактерии оказались непроницаемыми для чистой ДНК. Видимо, она была слишком уж громоздкой. А что, если попробовать ввести в протопласты маленькую ДНК? Эта мысль пришла в голову американцу Роберту Сингсхаймеру после того, как он открыл удивительный фаг-малютку. Молекулярный вес его ДНК оказался вдвое меньше обычного.

"Надо ставить опыт безотлагательно", - решил Сингсхаймер. Ему удалось "протиснуть" чистую ДНК в тело протопластов и впервые показать, что она одна, без белка, может обеспечить воспроизведение потомков вируса. Но и эти опыты убедили далеко не всех: ДНК крошечного фага в отличие от своих сестер была построена из одной цепочки. Может быть, и опыты с таким фагом не правило, а исключение? Подкрепление пришло от таинственных вирусов опухолей. После заражения чистой ДНК в клетках животных и в клетках культуры тканей нашли полноценные вирусные частицы. И уже тут-то сомнений не оставалось: ДНК этих вирусов была самая обыкновенная, двуспиральная. Вскоре наука получила и другие веские доказательства непричастности белка к воспроизведению наследственности.

Фаг лямбда и кишечная палочка К12 - испытанные старожилы лабораторий. Однако теперь в опыте участвовал уже не сам фаг, а его ДНК. Но как провести громоздкую спираль в тело бактерии? Над этим допросом много думал немецкий ученый Кайзер. И он нашел чрезвычайно остроумный ход, рассудив примерно так. Хвост фага - это ключик к дверям клетки. Конец его расщепляется на тончайшие волоконца, которые как бы "привязывают" его к клетке. При этом наружу выходит особый фермент, растворяющий оболочку микроба, и в месте прикрепления фага возникает точечное отверстие. Размеры его бесконечно малы, но вполне достаточны, чтобы через него прошло содержимое фаговой частицы. Хвостовой белок фага сокращается подобно упругому мышечному волокну и ядерная ДНК, как из шприца, впрыскивается в сердцевину микроба. Сам шприц (оболочка фага) остается на поверхности клетки.

А что, если каким-либо фагом (все равно каким), но только не схожим с фагом лямбда, чтоб их легко потом можно было отличить, предварительно протаранить стенку клетки и лишь после этого пустить ДНК? Эта мысль стала спасительной для эксперимента и полностью подтвердила: ДНК фага одна, без белка, породила новые частицы фага.