Таинственный геном человека - Фрэнк Райан

Если мы правы, пускай это еще и не доказано, значит, нуклеиновые кислоты не только имеют структурную важность, но и являются функционально активными веществами, определяющими биохимическое действие и специфические характеристики клеток, и с помощью известного химического вещества возможно вносить в клетки предсказуемые генетические изменения. Генетики мечтают об этом уже много лет… Это выглядит как вирус, но может оказаться геном. Я еще окончательно не понял механизм этого процесса – всему свое время. Первым шагом было выяснить химическую природу трансформирующего принципа. Остальные шаги может сделать кто-то другой…

3. История на картинке

Вы рассматриваете науку (или, по крайней мере, говорите о науке) как какое-то аморальное изобретение человечества, как что-то далекое от реальности, что-то, что следует охранять и не впускать в повседневную жизнь. Но науку и повседневность не нужно и невозможно разделить.

Открытие Эвери, Маклеодом и Маккарти «трансформирующего вещества», подтвержденное элегантным экспериментом Херши и Чейз с бактериофагами, доказало, что именно ДНК является молекулой наследования. Но обе группы работали с микробами, бактериями и вирусами, природа наследования у которых гораздо проще, чем, например, у растений и животных. Перед учеными оставалось еще множество вопросов, требующих ответа. Действительно ли ДНК является ключом к наследственности всего живого или это утверждение верно лишь для бактерий и вирусов? К началу 1950-х годов множество различных лабораторий подтвердили, что ДНК представляет собой важный компонент ядер растительных и животных клеток. Это подкрепило теорию о том, что именно она является молекулой, кодирующей саму жизнь. Но как это работает? Каким образом единственная молекула может определять сложную наследственность целого организма?

Эти же вопросы начали задавать себе биологи, врачи, молекулярные биохимики и генетики. Для ответа на них было важно понять точную молекулярную структуру ДНК. Если признать, что именно в ДНК хранится генетическая память, то как именно это невероятно сложное качество обеспечивается структурой молекулы? Как генетическая память передается от родителей к потомкам? Как она объясняет эмбриональное развитие – появление из одной-единственной клетки, возникшей в результате слияния отцовского сперматозоида и материнской яйцеклетки, человеческого эмбриона, который затем превращается во взрослого человека?

Но был и еще один вопрос огромной важности.

Сердце биологии – дарвиновская теория эволюции. В общих чертах она заключается в том, что природа осуществляет отбор из ряда вариаций наследственности различных особей в рамках популяции. Естественный отбор действует очень просто, если не сказать жестко. Особи (и варианты наследования), которые имеют небольшие преимущества для выживания и соответственно более высокие шансы оставить потомство, вносят больший вклад в генетический фонд своего вида. Естественный отбор работает скорее как выборка более сильных. Особи, не имеющие необходимых для выживания преимуществ, с гораздо большей вероятностью погибнут, и их гены вряд ли попадут в общий генетический фонд популяции.

Эволюционные биологи-дарвинисты называют этот показатель вклада каждой отдельной особи в генофонд популяции относительной приспособляемостью. Разумеется, это понятие не имеет ничего общего с расистскими теориями превосходства, неполноценности и выживания сильнейших (это словосочетание в обиход ввел не Дарвин, а философ и социолог Герберт Спенсер). Но, если задуматься, вариативная наследственность, необходимая для работы естественного отбора, также должна реализовываться с помощью механизмов, включающих в себя удивительную молекулу ДНК. Таким образом, ДНК становится не только основой наследственности, но и сердцем самой эволюции. На все эти вопросы требовалось найти ответы, поэтому ученые занялись исследованием структуры (предположив, что она обусловливает функциональность) и свойств ДНК.

Первый шаг к ответам на все эти вопросы был сделан еще в 1943 году при необычных обстоятельствах. Его совершил не биохимик, не биолог и не генетик, а физик из Австрии. В 16:30 в пятницу, 5 февраля Эрвин Шрёдингер поднялся на трибуну в Дублине и прочитал лекцию, которую сегодня считают поворотным моментом в биологии. В 1933 году Шрёдингер был удостоен Нобелевской премии за работу в области квантовой физики, которая расширила наше понимание волновой механики. Но я, пожалуй, не стану запутывать себя и вводить в заблуждение читателей попытками углубиться в эту сферу. Позже Шрёдингер уехал из Австрии в знак протеста против нарушения прав человека и поселился в нейтральной Ирландии по приглашению ее президента Имона де Валера. В Дублине ученый содействовал основанию Института перспективных исследований и в рамках его поддержки согласился прочитать три лекции, объединенные общей темой «Что такое жизнь?».

Шрёдингер был так знаменит, что в аудиторию, рассчитанную на 400 человек, все желающие не поместились. При этом слушателей предупредили заранее, что выступление будет посвящено довольно сложной теме и автор не станет объяснять ее на популярном уровне (хотя Шрёдингер и обещал не упоминать математику). В аудитории присутствовали де Валера, министры его кабинета и репортер Times. Остается лишь догадываться, какие выводы политики и журналисты могли сделать из рассказов ученого о том, «как физика и химия описывают пространственно-временные события, происходящие в пределах живого организма».

Впоследствии Шрёдингер на основе трех дублинских лекций составил небольшую (менее 100 страниц) книгу «Что такое жизнь?». Она была издана на следующий год. В книге ученый популяризовал квантовую интерпретацию генов, которая была предложена ранее выдающимся физиком Максом Дельбрюком.

В начале первой главы Шрёдингер задает вопрос: «Как процессы, происходящие внутри живого организма, могут толковаться с точки зрения физики и химии?» Признавая, что знаний, которыми располагали эти науки на момент написания книги, недостаточно для ответа, он тем не менее высказывает мнение, что «важнейшую часть живой клетки – хромосомное волокно – можно назвать апериодическим кристаллом». Автор сам выделил эти слова, чтобы подчеркнуть, что физика его времени имела дело лишь с периодическими кристаллами, то есть повторяющимися атомными структурами, которые можно наблюдать в самых очевидных кристальных формах (например, в драгоценных камнях).

Что же Шрёдингер имел в виду под апериодическим кристаллом?

Он объяснял этот термин с помощью метафоры. Приглядевшись к обоям на стене, мы можем заметить рисунок, который постоянно повторяется. Это периодический кристалл. Рассматривая гобелены, сотканные по эскизам Рафаэля, мы также заметим осмысленный и последовательный паттерн, однако рисунок повторяться не будет.

Далее Шрёдингер продолжил рассуждения. По его словам, хромосомы или, скорее всего, какие-то другие продольные волокна, слишком тонкие, чтобы их можно было рассмотреть под микроскопом, должны содержать некую «кодовую запись», шаблон, задающий параметры развития человека от оплодотворения яйцеклетки до рождения, а затем определяющий функционирование того, что мы называем геномом, в течение его жизни.

Эти рассуждения подвигли юного, наивного, но крайне любопытного американца Джеймса Дьюи Уотсона, объединить усилия с чуть более опытным и таким же пытливым англичанином Фрэнсисом Криком и создать, пожалуй, наиболее известный на сегодня научный союз. Оба ученых, вдохновившись работой Шрёдингера, начали поиски апериодического кристалла.

Уотсон был невероятно умным ребенком. Он жил в Чикаго и учился в местном университете, куда поступил в 15 лет, получив в 19 степень бакалавра (в 1947 году). При этом целый год его учебного курса был посвящен зоологии. Его учитель эмбриологии вспоминал, что Уотсон не интересовался лекциями и никогда ничего не записывал, но, несмотря на это, стал лучшим выпускником в своем классе. Впоследствии Уотсон признавался, что ему было попросту лень. Он немного интересовался птицами, но при этом сознательно избегал любых курсов химии или биологии, имевших хотя бы средний уровень сложности. Знания ленивого выпускника о генетике и биохимии тоже были весьма поверхностными. В рамках образовательного курса он посещал лекции Сьюэла Райта, создателя математической системы изучения популяционной генетики. В лекциях обсуждались и работы Эвери, но Уотсон признавался, но пропустил этот материал. Он также заявлял, что его интерес к «тайнам гена» возник после прочтения книги Шрёдингера «Что такое жизнь?».

Вдохновленный книгой, Уотсон получил исследовательскую стипендию в Университете Индианы в Блумингтоне. Он был очень рад этому, так как местным профессором зоологии был нобелевский лауреат Герман Джозеф Мёллер, который еще в 1921 году наблюдал в генах плодовых мушек мутации, аналогичные описанным Хершли и Чейс в генах бактериофагов. Уотсон заинтересовался, как можно манипулировать фагами в пробирках. Репродуктивные циклы этих вирусов крайне коротки, что отлично подходило нетерпеливому ученому. Существовали простые системы, предназначенные для анализа их количества и жизненного цикла, которые могли позволить взглянуть на проблему генов под новым углом. Нужно было всего лишь тщательно разработать эксперимент, направленный на изучение конкретного аспекта этой проблемы, и ответ был готов через пару дней. Близкое и жестокое взаимодействие между фагами и их носителями-бактериями помогло ученым разобраться в сложной химии генов, наследственности и хромосом.