Сейчас о том, что за передачу генов отвечает молекула ДНК, знает практически каждый. Тем не менее, до середины прошлого века человеческая наследственность представляла собой загадку. К началу XX века химики выяснили, что вещества состоят из молекул, а те - из атомов, но вот какие именно молекулы переносят гены, было неясно. До 1944 года предполагалось, что их переносят белки, однако все изменил эксперимент американца Освальда Эвери и его коллег. Поэкспериментировав со штаммами бактерий, они обнаружили, что неболезнетворные штаммы превращаются в болезнетворные вследствие трансформации. Трансформация эта происходила за счет кислоты, состоявшей из разных пропорций углерода, водорода, азота и фосфора. Ее и назвали ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислотой. У нее, в отличие от «сестры», РНК (рибонуклеиновая кислота), отсутствовал атом кислорода - отсюда такое труднопроизносимое название.
Несмотря на то, что молекула наследственности была найдена, точный механизм переноса генов был все еще неизвестен. В химии структура молекулы значит очень многое, особенно когда мы говорим об органических веществах. Легко понять структуру поваренной соли, или хлорида натрия - у нас есть два атома разных элементов (натрий и хлор), которые напрямую соединены. В случае же с ДНК, мы имеем дело с четырьмя разными молекулами (аденин, гуанин, тимин и цитозин), которые представляют собой сложносочиненные комбинации сразу четырех элементов. Например, формула аденина записывается как C5H5N5. А поскольку напрямую ученые рассмотреть атомы не могут, то обнаружение структуры ДНК стало практически детективной историей.
Команда открывателей
Открытие структуры ДНК традиционно приписывают Джеймсу Уотсону, Фрэнсису Крику и Розалинд Франк. Усилия троих ученых, хотя и не всегда совместные, увенчались в конце концов успехом. Первым шагом в этом деле стал интерес Уотсона постичь, что представляет собой ген. Молодого ученого вдохновила на это книга Эрвина Шредингера «Что такое жизнь?». В ней известный квантовый физик писал, что без понимания структуры молекулы узнать, как она передается, невозможно. «Но, если мы не можем напрямую наблюдать молекулы, как же тогда это сделать?» - задался вопросом Уотсон.
Ответ он получил в 1951 году, когда побывал на лекции Мориса Уилкинса. Тот занимался кристаллографией и рассеянием рентгеновских лучей. Если взять жидкость, наполненную молекулами, и охладить ее, получатся кристаллы. Освещая их, можно проецировать форму молекул на стену и определять структуру по теням. Эту технику можно было применить и для обнаружения ДНК. Уилкинс как раз этим и занимался, и Уотсон хотел к нему присоединиться. Однако Уилкинс его не принял.
В лаборатории Кэмбриджа, где он занимал постдокторскую позицию, Уотсон познакомился с Фрэнсисом Криком. Будучи биохимиком-теоретиком, Крик также считал, что открытие структуры ДНК очень важно для понимания механизма наследственности. Ученые стали думать над проблемой вместе, а также как обогнать конкурентов - все того же Уилкинса и Лайнуса Полинга. Последний тоже экспериментировал с рентгеновской кристаллографией и добивался успехов, задействуя, как ни странно, конструктор для детей. Но был еще и третий конкурент - женщина-биохимик по имени Розалинд Франклин, которая, освоив техники рентгеновской дифракции в Париже, пришла работать в Лондон.
Позвольте сделать небольшое отступление: все эти интриги ученых насчет того, кто что откроет первым, по мне, не стоят выеденного яйца. На Западе это почему-то играет большую роль - вероятно, из-за высокого общественного статуса Нобелевской премии, прав на патенты и прочих следствий капиталистической системы. Но концентрироваться на драмах обделенных участников Нобелевской гонки я не вижу никакого смысла. В этой статье мы сделаем упор на то, что открытие ДНК было объединенной заслугой названных ученых.
Спираль жизни
Метод рентгеновской дифракции, использованный в опытах Франклин, дал свои плоды. На докладе, который посетили Уилкинс и Уотсон, она рассказала о том, что обнаружила структуру с двумя, тремя или четырьмя цепями, скрученными в спираль. На следующий день Уотсон и Крик стали экспериментировать с формой и пришли к спирали, в которой три цепи переплетаются посередине, а четыре основания выступают из остова. Приглашенные посмотреть на модель Уилкинс и Франклин впечатлены не были. Франклин сказала, что ДНК вовсе не спираль, а цепи не скручиваются, а находятся снаружи. В первом она оказалась впоследствии неправа, а во втором попала в точку.
Форма Уотсона и Крика оказалась ошибочной, как и Лайнуса Полинга. Он независимо пришел к похожей структуре - скрученной спирали с остовом в центре. Ученые подумали, раз они трое независимо пришли к одинаковой форме, то есть большие шансы, что ДНК все-таки представляет собой разновидность спирали, просто иначе устроенной. Их модель оказалась слишком перегруженной и нестабильной. Напрашивалось более простое решение.
Тем временем, Уилкинс и Франклин продолжали исследования - теперь уже вместе. Франклин, правда, все еще отказывалась думать, что ДНК это спираль. Перед глазами у нее был снимок молекулы, полученный методом дифракции - ставшая впоследствии знаменитой «Фотография 51». Полностью расшифровать модель по этому снимку ей не удавалось, и она ждала результатов с других, более качественных, снимков. Однако Уотсон, которому «Фотографию 51» показал Уилкинс, тут же понял, что перед ним спираль, но с важным отличием от их с Криком первоначальной модели. Основания у ДНК оказались обращены внутрь спирали, как бы смыкаясь друг с другом. Это было гораздо более логичное и элегантное решение. Теперь все, что оставалось Уотсону и Крику - это соорудить наглядную модель молекулы.
Четырехбуквенный код
Итак, как же устроена молекула ДНК? Это две сахарофосфатные цепи, которые образуют двойную спираль. Из этих цепей выступают основания - аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). Основания вплотную примыкают друг к другу, образуя будто ступени лестницы, уходящие по спирали вверх. Пары оснований прикрепляются друг к другу в определенных комбинациях. Это объясняется их атомной структурой, а именно - водородной связью. Так, аденин привлекает тимин, а гуанин - цитозин.
Благодаря водородной связи, даже при разделении спирали на две части она могла самовоспроизводиться, потому что молекулы всегда привлекались к своим парам. Код жизни был разгадан, и он состоял из последовательностей кислот ATGC, образующих парные основания. Они кодировали гены, а те, в свою очередь - тела живых существ, в том числе, нас с вами.
Параллельно с революцией в биологии в 1950-х гг. происходили важные открытия и в теории информации. Такие математики, как Алан Тьюринг, показали, что любая информация может быть закодирована в двоичный код, состоящий из 0 и 1. Последствия этого всем хорошо известны - возникновение компьютеров и интернета. Однако, как оказалось, от природы мы безнадежно отстали, ведь она свой четырехзначный код придумала по меньшей мере три миллиарда лет назад. С тех пор она его усложняла и «наговаривала», создавая живые организмы, все разнообразие которых мы видим теперь.
С помощью системы 0 и 1 мы, люди, научились создавать и передавать информацию, образы и продукты искусства в масштабах, невиданных ранее. Но для интерпретации этого кода необходимы компьютеры. Природа же самодостаточна - любое живое существо несет не только инструкцию для создания самого себя, но может эту инструкцию и воплотить. Сможем ли мы когда-нибудь создать такую самодостаточную систему? Пока это видится маловероятным.
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.
