Глава 37
Строительные блоки

По мере того как шло время, ученые становились все более узкими специалистами. Биологи традиционно занимались биологией, химики решали химические задачи, а физики – физические.

Но что случилось в 30-е годы, что заставило сначала химиков, а затем и физиков взяться за проблемы биологии? Вспомним, химия – наука о том, как смешиваются и реагируют вещества. К тому времени стало ясно, что живые существа – объект биологии – состоят из тех же элементов периодической таблицы, таких как углерод, водород, кислород и азот. Физика – наука о материи и энергии, и то и другое сводится к атомам и субатомным частицам. Нельзя ли, изучая их, узнать больше о химических элементах?

Суммируя все – не могут ли химия и физика описать живой организм как набор химических реакций и атомных структур? И нельзя ли таким образом получить ответ на один из старейших научных вопросов: что есть жизнь?

В первые десятилетия двадцатого века Томас Хант Морган использовал плодовых мушек для того, чтобы показать – хромосомы в ядре клетки переносят наследственный материал. «Материал» был хорошим словом, и генетики быстро научились показывать, какие эффекты он производит, они могли продемонстрировать различные гены в разных частях хромосомы, ответственные за глаза или крылья.

Они были даже в состоянии продемонстрировать, как мутации, вызванные рентгеновскими лучами, могут вызвать необычную форму крыльев, поскольку облучение, как они верили, воздействовало на гены.

Но они не знали, что такое гены сами по себе.

Могут ли протеины быть наследственным материалом?

Протеины играют важнейшую роль во многих реакциях, протекающих внутри нашего тела, они стали первой группой соединений, на систематической основе изученной молекулярными биологами. Как намекает имя, молекулярная биология – наука, занимающаяся поведением молекул в пределах живых организмов.

Протеины, кроме того, большей частью очень большие и сложные молекулы, они состоят из групп аминокислот, которые проще и меньше. Этот факт означает, что в случае с аминокислотами легче понять, из чего они состоят, используя обычные химические инструменты – анализ и синтез. Аминокислот около двадцати, и они являются теми самыми строительными блоками, которые в различных комбинациях формируют все протеины в растениях и животных.

Но то, как аминокислоты соединяются, чтобы сформировать протеины, оказалось не так легко объяснить. Именно в этом месте к проблеме подключились физики, и вышло так, что найти ответ помогли рентгеновские лучи.

Сначала нужно было создать кристалл протеина, который вы хотите изучать, затем вы облучали его рентгеном. По мере прохождения через кристалл лучи изгибались или отражались по определенному шаблону, известному как дифракционная модель.

Модель можно зафиксировать на фотографической пластинке.

Изучение моделей, запечатленных на фотографиях, дело довольно-таки мутное. Вашим глазам предстает запутанная картина из огромного количества точек и полос, вы смотрите на двумерное изображение, но должны представлять трехмерное изображение, и простое использование стереоскопических очков тут не поможет.

Но помимо способности визуализовать картинку вы должны быть в состоянии понять, что все это значит с точки зрения химии и как соединяются разные элементы. Плюс неплохо разбираться в математике.

Человеком, сумевшим одолеть все трудности, стала химик Дороти Ходжкин (1910–1994), работавшая в Оксфорде. Мы частично обязаны ее исследованиям в рентгеновской кристаллографии тем, что знаем о структуре пенициллина, инсулина и витамина B₁₂. Нобелевскую премию она получила в 1964-м.

Лайнус Полинг (1901–1994) оказался ничуть не хуже в использовании рентгеновских лучей для исследования структуры сложных химических соединений. Блестящей серией экспериментов он и его коллеги сумели показать, что если в молекуле гемоглобина из нашей клетки крови отсутствует всего одна аминокислота, то это вызывает серьезную болезнь, серповидно-клеточную анемию (обычно круглая, в этом случае красная клетка крови, содержащая этот гемоглобин, больше напоминает серп). Подобный молекулярный изъян большей частью находили в Африке, где малярия всегда показывала себя. Сейчас доказано, что он приносил пользу, делая людей с такими клетками устойчивыми к наиболее серьезным формам малярии.

Это пример того, как идет эволюция человека.

Люди только с одной такой наследственной чертой (единственным геном, унаследованным точно так же, как горошины Менделя наследовали цвет) умеренно анемичны, но более устойчивы к малярии. Индивидуумы, наследующие эту черту с двух сторон, от обоих родителей, обычно страдают серьезной анемией. Симптомы серповидно-клеточной анемии были диагностированы в начале двадцатого века, и пятьюдесятью годами позже Полинг использовал последние достижения молекулярной биологии, чтобы понять, что ее вызывает, и его исследования открыли новую эпоху в медицине, молекулярную медицину.

После успеха с протеинами Полинг почти разобрался и с главной проблемой: раскрыл молекулярную структуру генов. Его эксперименты с рентгеном показали, что многие протеины вроде тех, что формируют ваши волосы или мускулы или переносят кислород в молекуле гемоглобина, имеют особую форму, они скручены в спираль.

В начале 50-х годов многие ученые предполагали, что гены состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты, более известной как ДНК (это и произнести легче). ДНК была открыта в 1869 году, но потребовалось много времени, чтобы разобраться, на что она похожа и какие функции выполняет.

В 1952 году Полинг предположил, что ДНК – очень длинная, свернутая молекула из трех нитей, завернутых вокруг друг друга, так называемая тройная спираль.

В то время как Полинг работал в Калифорнии, две группы ученых наступали ему на пятки в Англии. Физик Морис Уилкинс (1916–2004) и химик Розалинд Франклин (1920-58) из Королевского колледжа в Лондоне занялись молекулярной биологией. Франклин стала отличным специалистом в изготовлении и расшифровке рентгеновских снимков. В Кембридже молодой американец Джеймс Уотсон (род. 1928) оставил свои занятия орнитологией (изучение птиц) и стал работать вместе с Френсисом Криком (1916–2004). Крик изучал физику и работал в качестве физика на Адмиралтейство во время Второй мировой, но затем он вернулся в университет и на этот раз стал биологом.

Уотсон и Крик смогли превратиться в одну из самых эффективных команд в истории науки.

Они знали, что ДНК находится в хромосомах ядра, тех самых компонентах клетки, которые Морган изучал тридцатью годами ранее. Они сделали вырезки из бумаги и начали клеить модели, пытаясь разобраться, как может выглядеть структура ДНК. Большую пользу они сумели извлечь из сделанных Франклин рентгеновских снимков.

В 1953 году они придумали модель, удовлетворявшую всем экспериментальным данным. Радостно признали ее «правильной» и отправились праздновать в бар, где объявили, что им удалось раскрыть «секрет жизни».

Но если даже другие посетители того бара не очень понимали, о чем идет речь, то читатели научного еженедельника «Nature» вскоре получили полную информацию. Уотсон и Крик опубликовали статью о своих находках в номере от 25 апреля 1953 года, и в нее вошла работа лондонской команды Уилкинса и Франклин.

Но именно Крик и Уотсон показали, что ДНК состоит из двух изогнутых ниточек, а не из трех, как думал Полинг. Нити соединялись между собой «ступеньками», так что получалось нечто вроде длинной веревочной лестницы, завернутой в спираль. Опоры лестницы представляют собой углеводы, каждая перекладина сделана из пары молекул: либо аденин и тимин, либо цитозин и гуанин.

Их обычно именуют «базовыми парами» молекул.

Но хорошо, пусть есть структура, но как она объясняет пресловутый «секрет жизни»?

Базовые пары скреплены посредством водородных связей, когда клетка делится, спираль разворачивается, и выглядит это так, словно расстегивается застежка-молния. Оставшиеся половинки представляют шаблоны двух идентичных цепей, произведенных клеткой. Уотсон и Крик показали, как гены могут передаваться от родителя отпрыску и как дочерняя клетка получает тот же набор генов, какой был у оригинальной материнской клетки. Схема выглядела простой и элегантной, и она немедленно стала общепринятой.

В 1962 году, когда научное сообщество окончательно приняло структуру и роль ДНК. Крик. Уотсон и Уилкинс разделили Нобелевскую премию. Только они трое. Розалинд Франклин не проигнорировали, просто она умерла от рака яичников в 1958 году.

Френсис Крик продолжил, наряду с другими, изучать то, почему гены настолько важны для живых организмов, ну помимо того, что они передают нашу наследственность. Обычная повседневная активность генов заключается в том, что они изготавливают протеины.

«Генетический код» состоит из трех расположенных рядом перекладин упомянутой лестницы, и каждая троица перекладин (кодон) отвечает за одну аминокислоту. Крик показал, как маленькие отрезки молекулы ДНК обеспечивают кодировку аминокислот, создающих такие протеины, как гемоглобин или инсулин. Генетики сообразили, что порядок базовых пар в молекуле ДНК имеет критическое значение, поскольку он определяет, какие аминокислоты будут встроены в протеины.

Протеины – сложные молекулы, иногда с дюжинами аминокислот внутри, и длинная последовательность ДНК требуется, чтобы изготовить такой протеин.

Понимая то, как функционирует ДНК, ученые смогли разобраться с тем, что видел Морган в своей мушиной комнате. Морган наблюдал за видимыми характеристиками живых организмов, в его случае это были нормальные дрозофилы с белыми глазами и мутанты с красными.

Подобный набор видимых черт называют фенотипом.

Но после новых открытий ученые могли работать на более тонком уровне, на уровне генов, иметь дело с генотипом.

Открытие структуры ДНК стало поворотным пунктом в истории современной биологии. Оно показало, что биологи могут разбирать свой предмет в терминах молекул, ранее бывших в употреблении лишь у химиков.

И на некоторое время подобные исследования вошли в моду.

Более поздние работы показали, что аминокислоты и протеины формируются в цитоплазме клетки – жидкости, в которой плавает ядро. В процессе изучения того, как действует эта крохотная фабрика, была открыта РНК, рибонуклеиновая кислота. В чем-то она похожа на ДНК, но у нее только одна прядь, а не две, и формирует ее другой углевод. РНК играет важную роль в передаче информации от ДНК в ядре клетки к протеиновой «фабрике» в цитоплазме.

Молекулярные биологи изменили наше понимание того, откуда возникают болезни. Они открыли, как протеины вроде гормона инсулина выполняют свою работу, регулируя уровень сахара в крови. Они помогли лучше понять наиболее пугающую из болезней нашего времени, а именно рак.

Хотя любой вид рака может дать метастазы по всему организму, он всегда начинается с единственной мутировавшей клетки, которая ведет себя неправильно и не перестает делиться, когда надо. Подобные клетки очень «прожорливы», они используют питательные вещества организма, и если одна из них попадает в жизненно важный орган, то рак нарушает его функции и ведет к болезни.

Разобраться с тем, как это происходит на молекулярном уровне – крайне важно для того, чтобы изготовить лекарства, способные замедлить процесс или даже остановить его.

Изучение подобных преобразований сложно в случае с такими большими, хитро устроенными животными, как люди, так что молекулярные биологи большей частью работают с более простыми организмами. Значительная часть ранних исследований по поводу функционирования ДНК и РНК была проведена на бактериях, а для определения свойств рака используют мышей. Перенести на людей находки, сделанные на материале других существ, не всегда просто, но именно такой способ принят в современной науке: от более простого к сложному.

Этот метод помог нам понять процессы, которые двигают вперед эволюцию уже миллионы лет, догадаться, что ДНК – та самая молекула, которая контролирует наше предназначение.