Молекула ДНК: Фридрих Мишер, Фрэнсис Крик, Джеймс Д. Уотсон, Розалинд Франклин, Эрвин Чаргафф, Освальд Эвери, Лайнус Полинг

Чаще всего с молекулой дезоксирибонуклеиновой кислоты связывают имена английских биологов Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика, открывших в 1953 году ее структуру. Однако само соединение было открыто не ими, имя же первооткрывателя упоминается далеко не в каждом справочнике или учебнике.

В 1869 году ДНК открыл молодой швейцарский врач Фридрих Мишер, работавший тогда в Германии. Он изучал химический состав клеток животных и в качестве материала исследования выбрал лейкоциты, используя смывы с гнойных повязок. И в процессе работы понял, что кроме белков в лейкоцитах присутствует какое-то загадочное соединение. Оно выпадало в осадок в виде белых хлопьев или нитей при подкислении раствора и снова растворялось при его подщелачивании. Рассматривая препарат лейкоцитов под микроскопом, ученый обнаружил, что после отмывания лейкоцитов с бинтов разбавленной соляной кислотой от них остаются одни ядра. И сделал вывод: неизвестное соединение содержится в ядрах клеток. Мишер назвал его нуклеином, от латинского nucleus – «ядро».

О клеточном ядре в те годы почти ничего известно не было. Всего тремя годами ранее, в 1866-ом, Эрнст Геккель выдвинул гипотезу, что ядро ответственно за передачу наследственных признаков. Желая подробнее изучить нуклеин, Мишер разработал процедуру его выделения и очистки. Обработав осадок ферментами, он убедился, что это не белковое соединение – ферменты оказались неспособны разложить нуклеин. Он не растворялся в эфире и других органических растворителях, то есть не был жировым веществом. Химический анализ был тогда крайне трудоемким, медленным и не очень точным, но Мишер провел его и убедился, что нуклеин состоит из углерода, кислорода, водорода, азота и большого количества фосфора. В то время органические молекулы с фосфором в их составе практически не были известны. Все это убедило Мишера в том, что он открыл какой-то новый класс внутриклеточных соединений.

О своем открытии он счел уместным уведомить своего учителя, одного из родоначальников такой области науки, как биохимия, – Феликса Гоппе-Зейлера, издававшего журнал «Медико-химические исследования». А тот решил проверить столь необычное сообщение в своей лаборатории. Проверка заняла целый год, и Мишер уже опасался, что кто-нибудь вместо него откроет тот же нуклеин и опубликует результаты первым. Однако статья вышла в очередном номере журнала за 1871 год и сопровождалась двумя статьями самого Гоппе-Зейлера и его сотрудника: они подтверждали свойства нуклеина.

По возвращении в Швейцарию Мишер принял предложение стать завкафедрой физиологии университета в Базеле и продолжил свои исследования уже на примере моло`к лососевых рыб, которые и сейчас используются для массового получения ДНК. Рейн, протекающий через Базель, в те времена был полон лососей, Мишер сам ловил их сотнями для своих исследований.

В 1874 году он пишет очередную статью об обнаружении нуклеина в молоках. Мишеру уже стало ясно, что это вещество явно связано с процессом оплодотворения, но он отверг мысль о том, что в нуклеине может быть закодирована наследственная информация: соединение казалось ему простоватым для хранения всего разнообразия наследственных признаков. Методы анализа XIX века не позволяли найти существенных различий между нуклеином человека и лосося.

Еще при жизни Мишера нуклеин переименовали в «нуклеиновую кислоту», что очень раздражало первооткрывателя. Мишер скончался от туберкулеза в 1895 году. Почти полвека после его смерти считалось, что молекула ДНК, состоящая всего из четырех типов блоков, слишком проста для хранения наследственной информации, и на эту роль выдвигали гораздо более разнообразные белки.

Исследования нуклеиновой кислоты продолжались. Интересны, например, работы Освальда Эвери, которые он проводил в больнице Университета Рокфеллера в Нью-Йорке. Эвери известен как один из соавторов эксперимента Эвери, Маклеода и Маккарти.

В течение многих лет считалось, что генетическая информация содержится в белках. Эвери, Маклеод и Маккарти изучали явление наследственности. В ходе экспериментов была изучена возможность передачи генов между бактериями при помощи различных органических соединений, выделенных из них. После обработки экстрактов бактерий протеазами и дезоксирибонуклеазами (ферментами, разрушающими ДНК), было показано, что именно ДНК является носителем генетического материала.

Эксперименты Эвери, Маклеода и Маккарти в значительной степени направили исследования Уотсона и Крика по установлению структуры ДНК и привели к рождению современной молекулярной биологии.

Нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг утверждал, что Эвери с сотрудниками обеспечили платформу для современных исследований ДНК и в основном сделали молекулярную революцию в генетике и биомедицинских науках. Лауреат Нобелевской премии Арне Тиселиус писал, что Эвери является самым достойным ученым, не получившим Нобелевской премии за свои исследования.

А Эрвин Чаргафф с 1935 года проводил свои исследования в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Главным направлением его научной деятельности было изучение химического состава и структуры нуклеиновых кислот. Чаргафф определил количественное отношение азотистых оснований, входящих в их состав. В 1950–1953 годах им было показано, что общее количество адениновых остатков в каждой молекуле ДНК равно количеству тиминовых остатков, а количество гуаниновых остатков – количеству цитозиновых. Правила Чаргаффа использовали Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон при определении структуры ДНК в виде двойной спирали. Также Чаргафф доказал, что ДНК обладает видовой специфичностью, и отверг гипотезы о существовании многих разновидностей ДНК. Эрвин Чаргафф был первым, кто начал исследовать денатурацию ДНК. Кроме того, он занимался исследованием свертывания крови, изучал липиды, липопротеины и метаболизм аминокислот.

Следующий этап в исследовании ДНК датируется 1953 годом. И связан он с известными именами Фрэнсиса Крика, Джеймса Уотсона и малоизвестным именем Розалинд Франклин.

В первой половине 1953 года вышла осторожная публикация работы двух исследователей в журнале Nature (Molecular structure of nucleic acids // Nature. 1953). Статья заканчивалась предположением о том, что открытие структуры ДНК может объяснить механизмы копирования генетического материала.

К пятидесятым годам было проведено достаточно исследований, о которых мы уже упомянули. Уже было известно, что ДНК – большая молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию маленьких молекул четырех видов – нуклеотидов. Также ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации, похожей на текст, написанный алфавитом из четырех букв. Неизвестными оставались пространственная структура этой молекулы и механизмы, по которым ДНК передается по наследству от клетки к клетке и от организма к организму.

В 1948 году Лайнус Полинг открыл пространственную структуру других макромолекул – белков. Прикованный нефритом к постели, Полинг несколько часов складывал бумагу, с помощью которой он пытался смоделировать конфигурацию белковой молекулы, и создал модель структуры, названной «альфа-спиралью».

По воспоминаниям Уотсона, после этого открытия в их лаборатории была популярна гипотеза о спиральном строении ДНК. Уотсон и Крик сотрудничали с ведущими специалистами по рентгеноструктурному анализу, а Крик умел практически безошибочно обнаруживать признаки спирали на снимках, полученных этим способом.

Полинг тоже считал, что ДНК – спираль, причем, состоящая из трех нитей. Однако он не мог объяснить ни природу такой структуры, ни механизмы самоудвоения ДНК для передачи дочерним клеткам.

Открытие двуспиральной структуры произошло после того, как Морис Уилкинс тайно показал Уотсону и Крику рентгеновский снимок молекулы ДНК, сделанный его сотрудницей Розалинд Франклин. На этом снимке они четко узнали признаки спирали и направились в лабораторию, чтобы проверить все на объемной модели.

В лаборатории выяснилось, что мастерская не поставила необходимые для стереомодели металлические пластины, и Уотсон вырезал из картона четыре вида макетов нуклеотидов – гуанина, цитозина, тимина и аденина – и стал раскладывать их на столе. Он сразу обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином по принципу «ключ-замок». Стало ясно, что таким образом две нити спирали ДНК соединяются между собой, то есть напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой и ничто иное.

Такое расположение позволило объяснить механизмы копирования ДНК: две нити спирали расходятся, и к каждой из них пристраивается из нуклеотидов точная копия ее бывшей «партнерши» по спирали. И происходит это по такому же принципу, как с негатива в фотографии печатают позитив.

Судьба Розалинд Франклин сложилась печально. Уилкинс называл свою подчиненную исключительно «синим чулком» и находился с ней в постоянном конфликте. Хоть Франклин и не поддерживала гипотезу о спиральном строении ДНК, именно ее снимки сыграли решающую роль в открытии Уотсона и Крика. Возможно, Полинг удостоился бы четвертой Нобелевской премии, если бы мог увидеть эти снимки раньше, чем британские исследователи. До премии, которую получили Уилкинс, Уотсон и Крик, Розалинд не дожила. Она скончалась от рака в 1958 году.

Открытие пространственной структуры ДНК совершило революцию в мире науки и повлекло за собой целый ряд новых открытий, без которых нельзя представить не только современную науку, но и современную жизнь в целом.

В 60-х годах ХХ века предположение Уотсона и Крика о механизме репликации (удвоения) ДНК полностью подтвердилось. Кроме того, было показано, что в этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК-полимераза.

Примерно в то же время было совершено другое важное открытие – генетический код. Как теперь уже хорошо известно, ДНК содержит в себе информацию обо всем, что передается по наследству, в том числе о линейной структуре каждого белка в организме. Белки, как и ДНК, представляют собой длинные молекулярные цепочки из аминокислот. Этих аминокислот 20. Соответственно, было неясно, каким образом «язык» ДНК, состоящий из четырехбуквенного алфавита, переводится на «язык» белков, где используется 20 «букв».

Оказалось, что сочетание из трех нуклеотидов ДНК четко соответствует одной из 20 аминокислот. И таким образом «написанное» на ДНК однозначно переводится в белок.

В 70-х годах появились еще два важнейших метода, основанных на открытии Уотсона и Крика: секвенирование и получение рекомбинатной ДНК. Секвенирование позволяет «прочитать» последовательность нуклеотидов в ДНК. Именно на этом методе основана вся программа «Геном человека».

Получение рекомбинантной ДНК иначе называют молекулярным клонированием. Суть этого метода такова: в молекулу ДНК встраивают фрагмент, содержащий определенный ген. Таким образом, например, получают бактерии, которые содержат ген человеческого инсулина. Инсулин, полученный таким способом, называется рекомбинатным. Этим же методом созданы все «генетически модифицированные продукты».

Как ни парадоксально, репродуктивное клонирование появилось раньше, чем была открыта структура ДНК. Понятно, что сейчас ученые, проводящие такие эксперименты, активно используют результаты открытия Уотсона и Крика, но изначально метод не базировался на нем.

Открытие структуры ДНК, которое слишком часто называют «открытием Уотсона и Крика», стало основой множества научных исследований, включая знаменитый проект «Геном человека», молекула ДНК оставила след в современной живописи, кинематографе, архитектуре.

На примере этой истории мы еще раз убедились, что даже самые великие открытия не появляются на пустом месте – многим из них предшествуют годы кропотливых исследований. И кто больше заслуживает нобелевки, предшественники или последователи, еще вопрос. Ведь не будь предшественников, откуда было бы взяться последователям?