Что может биотехнология? - Дмитрий Складнев

В 1910 г. Морган переключился на мушку дрозофилу. Ее научное название переводится на русский язык как «любительница винограда», потому что она очень хорошо размножается на винограде и в виноградном сиропе в лаборатории. Уникальной особенностью дрозофилы является то, что у нее всего четыре хромосомы (вернее, четыре пары, но для нас важно именно число 4). Хромосомы представляют особые Х-образные тельца в ядрах клеток, которые могут быть окрашены специальными красителями — от греческих «хромое» — краска и «сома» — тело. Именно в хромосомах содержится нуклеиновая кислота, которая окрашивается в красный цвет при реакции Фельгена.

Сотрудник лаборатория Моргана У. Саттон показал под микроскопом, что поведение хромосом при делении клеток дрозофилы подобно «факторам» Менделя, и это лишний раз убедило Моргана в правильности избранного пути. Так родилась хромосомная теория наследственности, которая гласит, что гены, или наследственные факторы, как упорно продолжал называть их Моргай, локализуются в хромосомах, передаваясь от поколения к поколению с половыми клетками — спермиями и яйцеклетками. В 1933 г. Моргану присудили Нобелевскую премию по медицине — первую, которую получал в этой области американский исследователь. Это потом Нобелевские премии посыпались на американцев как из рога изобилия. За год до триумфа в Стокгольме по предложению Н. И. Вавилова Морган был избран почетным иностранным членом АН СССР.

Хромосомная теория Моргана поставила перед наукой неразрешимую для того времени задачу. Действительно, Морган утверждал, что гены постоянны и неизменны, но биология говорила об обратном. Все в живом мире находится в постоянном изменении. Мы не можем отрицать того факта, что биосфера эволюционирует, то есть изменяется. Достаточно взглянуть на птиц и рептилий, млекопитающих и приматов. Другой вопрос: как, за счет чего происходят эти изменения? Гуго де Фриз, крупный голландский исследователь начала века, открыл мутации (от «мутаре» — изменяюсь) — наследуемые изменения, передающиеся от поколения к поколению.

Но, возражал Морган, посмотрите на менделевские признаки. Они вроде бы «пропадают» у гибридов первого поколения, но потом проявляются вновь — у четверти числа потомков — у внучатого поколения. То же свидетельствовал и открытый Вавиловым закон гомологических (одинаковых) рядов изменчивости, согласно которому признаки у сходных видов изменяются одинаково, или гомологичным образом гомологичны, например, наша рука и ласт кита, но нельзя говорить о гомологии ласта кита и плавника акулы — это аналогия, сходное приспособление к одинаковой водной среде обитания

О стабильности генов знали и другие. К. А. Тимирязев писал, например: «Я указывал на нос Бурбонов, сохранившийся у герцога Немурского, несмотря на то, что в его жилах течет всего 1/128 крови Генриха IV».

То же потом отметит в своей книге «Что такое жизнь?» известный австрийский физик-теоретик Э. Шредингер, который писал: «У некоторых членов габсбургской династии нижняя губа имела особую форму (габсбургская губа). Наследование этого признака было изучено очень тщательно, и результаты опубликованы Императорской академией в Венте. Признак оказался настоящим менделевским аллелем[1] по отношению к нормальной губе. Присмотревшись к портретам членов семьи, живших в XVI–XIX столетиях, мы можем уверенно заявить, что материальная генная структура, ответственная за эту ненормальную черту, передавалась из поколения в поколение в течение столетий. Более того, число атомов, заключающихся в этой структуре, вероятно, должно быть того же порядка, как и в случаях, проверенных с помощью рентгеновских лучей. Как понять, что ген остался неизменным в течение столетий, несмотря на стремление теплового движения нарушить порядок в структуре?»

Вопрос, как видим, не праздный, если над ним ломают голову нобелевские лауреаты. Проще всего было бы объяснить все действием пресловутого «отбора», но такое упрощенное объяснение не проходит. Да к тому же, если мы скажем: за это ответствен отбор, это все равно ничего не объясняет, поскольку тут же необходимо начинать исследование тех механизмов, которые лежат в основе отбора. То есть мы еще больше осложняем себе жизнь.

Но все же мы знаем, что мутации — пусть и крайне редко, с частотой порядка 10-6 — 10-8, то есть один раз на миллион или даже на сто миллионов, — все-таки происходят. Но такое крайне редкое событие очень трудно уловить. Представьте себе, что какое-то событие происходит один раз в сто миллионов минут, тогда нам, чтобы его дождаться, надо запастись терпением на как минимум громадное время — 250 лет.

Но как разобрать хромосомы и гены, да к тому же, чтобы не погиб весь организм? Для этого необходимо выбрать такой тонкий инструмент, который «бил» бы только по одному гену. Но где же взять такой тончайший инструмент который попадал бы только в один ген?

Такой тончайшей иглой оказался рентгеновский луч. Его можно легко фокусировать, определять интенсивность и дозу, делать более «мягким» и «жестким», в результате чего будет повреждаться меньшее или большее количество генов.

Этим и занялись Тимофеев-Ресовский и К. Циммер в Берлине. Они получили множество самых различных мутаций у дрозофилы, которые было легко определить и подсчитать. Генетика и на молекулярном уровне становилась количественной. Так они благополучно и занимались радиобиологическими исследованиями, не ведая о том, на пороге каких бурных событий они стоят.

Бури и революции в это время гремели совсем в другой области. Под грохот жарких споров и дискуссий рождалась новая физика — квантовая. В 1921 г. Нобелевскую премию по физике получил А. Эйнштейн, провозгласивший, что все относительно не только в нашей жизни, но и во Вселенной. За три года до этого премию в Стокгольме получил М. Планк, который придумал само слово «квант». Через год поехал в шведскую столицу Н. Бор, провозгласивший, что электрон никогда не упадет на ядро. Десятилетие, прошедшее с той поры, прошло под триумфальными знаменами нового революционного мышления в физике.

В начале 30-х годов физика уже почувствовала в себе достаточно сил для вторжения в ранее заповедную область, какой была жизнь. После первой мировой войны успехи органического синтеза позволили человеку соперничать с продуктами естественными. В 1922 г. был получен первый синтетический каучук, по своим свойствам мало отличавшийся от природного. Немецкий ученый Г. Штаудингер написал в том году статью, в которой говорил о «макромолекулярной ассоциации», то есть соединении молекул в большие, или «макро», комплексы, с которыми постоянно приходится сталкиваться в живых клетках. Еще через два года он дает новое определение макромолекул: «Это такие комплексы, в которых огромная молекула идентична первичным частицам-мономерам, другими словами, мы предлагаем термин „макромолекула“ для обозначения молекулы, в которой одиночные атомы связаны вместе нормальными валентными связями».

Штаудингеру никто не поверил. Доказывая свою правоту, он пытался рассмотреть макромолекулы сначала под ультрафиолетовым светом, а затем и в электронный микроскоп. Он тогда еще не знал, что для того, чтобы увидеть молекулы белков и нуклеиновых кислот, которые относятся к макромолекулам, необходимы увеличения, тогда еще недостижимые. Тем не менее в своей лекции, прочитанной в 1936 г. в Мюнхене, Штаудингер впервые говорит о «макромолекулярной химии» и дает определение гена, звучащее следующим образом: «Каждая генная макромолекула обладает четко определенным структурным планом, который и предопределяет его жизненную функцию».

Сейчас бы под таким определением гена подписался любой молекулярный биолог. В-1943 г. Штаудингер основал журнал «Макромолекулярная химия», а в 1951-м — Институт под тем же названием.

Еще через два года ему за исследования в области макромолекул присудили Нобелевскую премию по химии. Но мы забежали несколько вперед.

В Копенгагене в своем Институте теоретической физики Н. Бор тоже задумывался над проблемой жизни. В 1932 г. он прочитал перед своими учениками, среди которых были такие выдающиеся ученые, как Г. Гамов, Л. Ландау, В. Паули и В. Гейзенберг, лекцию «Свет и жизнь». В этой лекции Бор говорил, что в конечном итоге жизнь, вернее ее изучение, сведется к «элементарным актам» квантовой физики.

Лекцию Н. Бора внимательно слушал молодой 26-летний немец, ученик известных радиохимиков О. Гана и Л. Мейтнера. Его звали Макс Дельбрюк. Поначалу в университете он занимался астрономией, но потом его захватила молодая и бурно развивающаяся квантовая физика, в результате чего он и попал на лекцию Н. Бора. Вернувшись в Берлин, Дельбрюк решил заняться изучением «элементарных актов». Вечерами, приходя с работы, он стал разбираться в том, что такое жизнь. Но быстро запутался в противоречивых теориях и обратился к Н. В. Тимофееву-Ресовскому и К. Циммеру. Собираясь втроем и обсуждая интересующие их проблемы, они попытались ответить на вопрос, каков объем гена, способного мутировать?