10. Теория в молекулярной биологии

Как уже говорилось, проблема генетического кода не поддавалась решению чисто теоретическими методами. Это не значит, что общие теоретические концепции были вовсе бесполезны – они были нужны хотя бы для того, чтобы задавать направления экспериментам. Характер структуры ДНК давал пищу для умозрительных построений. В противном случае они оказались бы слишком туманными, чтобы их можно было применять. В 1957 г. меня пригласили сделать доклад на заседании Общества экспериментальной биологии в Лондоне. Я получил таким образом возможность упорядочить и записать свои идеи, по большей части уже сформулированные ранее.

Структура ДНК указывала на то, что последовательность оснований в ДНК кодирует аминокислотную последовательность соответствующего белка. В докладе я назвал эту идею «гипотезой последовательности». Перечитывая текст, я вижу теперь, что выражался не слишком точно. У меня сказано: «…она предполагает, что специфичность отрезка нуклеиновой кислоты выражается единственно в последовательности оснований и что эта последовательность является (простым) кодом аминокислотной последовательности данного белка». Можно понять так, что все последовательности нуклеиновых кислот обязаны кодировать белки, чего я безусловно не имел в виду – мне стоило написать, что ген кодирует аминокислотную последовательность белка исключительно через последовательность оснований. Эта оговорка допускает возможность, что некоторые фрагменты последовательности оснований могут нести другие функции, например, механизмов контроля (определять, должен ли данный ген работать и в каком темпе), или производить РНК для каких-то иных целей, не связанных с кодированием. Однако, похоже, никто не заметил моей обмолвки, так что особого вреда от нее не было.

Другая теоретическая идея, выдвинутая мной, была немного иного характера. Я предположил, что, «как только информация передалась белку, она уже не может вылезти обратно», пояснив, что «под информацией здесь подразумевается точное положение последовательности, будь то последовательность оснований нуклеиновой кислоты или аминокислотных остатков белка» (см. приложение А).

Я назвал эту идею «центральной догмой» – видимо, по двум причинам. Во-первых, очевидное слово «гипотеза» уже было задействовано («гипотеза последовательностей»), а во-вторых, я хотел подчеркнуть, что это новое допущение более решающее и сильное. Я отметил, что спекулятивный характер той и другой подчеркивают их названия.

Как оказалось, от использования слова «догма» было, что называется, визгу много, шерсти мало. Много лет спустя Жак Моно указал мне, что я, вероятно, неверно понимаю значение слова «догма», означающего «верование, в котором нельзя сомневаться». На самом деле у меня были об этом смутные представления, но, полагая, что все религиозные верования лишены серьезных обоснований, я использовал слово так, как сам представлял себе его смысл, а не так, как большинство людей во всем остальном мире, – я просто подразумевал под ним фундаментальную гипотезу, которая, как бы правдоподобно ни выглядела, недостаточно подкрепляется прямыми опытными данными.

В чем польза подобных общих идей? Очевидно, что они умозрительны и потому могут оказаться неверными. И все же они помогают выработке более положительных и конкретных гипотез. Если они удачно сформулированы, они могут действовать как проводники в дремучем лесу теорий. Без проводника любая теория кажется возможной. С проводником – многие гипотезы отпадают, и становится понятнее, на каких стоит сосредоточиться. Если при таком подходе исследователь все же заплутал в лесу, он испробует новую догму – возможно, она подойдет лучше. К счастью, в молекулярной биологии первая же оказалась верной. По моему мнению, это одна из самых полезных ролей, которую теоретик способен сыграть в биологии. В подавляющем большинстве случаев для теоретика практически невозможно получить правильное решение комплекса биологических проблем единственно путем размышлений. Механизмы, которыми занимается биология, возникли путем естественного отбора, и потому в них слишком много запутанного и случайного. Лучшее, на что может надеяться теоретик, – указать экспериментатору верное направление, и нередко лучший способ сделать это – обозначить, какие пути могут быть тупиковыми. Если надежды самостоятельно додуматься до верной теории невелики, в таком случае полезнее поразмыслить, какой класс теорий может быть ошибочен, применив общие соображения обо всем, что известно о природе системы.

Оглядываясь назад, я вижу, что моя работа «О синтезе белка» представляет собой смесь удачных и неудачных идей, озарений и чуши. Озарения, подтвердившиеся впоследствии, основываются преимущественно на общих соображениях, высказанных с учетом более или менее давно установленных данных. Неверные идеи проистекают в основном из более свежих результатов экспериментов, которые в большинстве случаев оказались потом либо неполными, либо неверно истолкованными, а то и полностью ошибочными.

Уже тогда в мои рассуждения вкралась ошибочная идея. Видно, что я представлял себе РНК в цитоплазме – в «микросомных частицах», как их тогда называли, потому что слово «рибосомы» еще не вошло в общее употребление, – как «трафарет», то есть думал, что у нее довольно жесткая структура, наподобие двойной спирали ДНК, хотя, вероятно, одноцепочечная. Лишь позже я осознал, что эта идея задает слишком узкие рамки и что «лента», возможно, ближе к истине. Подобно тому как телеграфная лента не имеет жесткой структуры (разве что в то мгновение, когда находится в аппарате), РНК – я понял это впоследствии, – не обязана быть жесткой, она может быть гибкой, за исключением того сегмента, который кодирует очередную по счету аминокислоту. Другое следствие, вытекавшее из этой идеи, состояло в том, что наращиваемая белковая цепочка была не обязана оставаться на «трафарете», но могла уже начинать сворачиваться по ходу синтеза – что предполагали и раньше.

На тот момент в моих рассуждениях была еще одна, более серьезная ошибка. Не стану расписывать подробностей (они изложены в самой статье), но по сути причиной моих ошибок было то, что я спутал сам механизм синтеза белков и совершенно отдельные механизмы, которые им управляют. А произошло это, если в двух словах, потому что, по данным некоторых экспериментов, для синтеза РНК требовался свободный лейцин (аминокислота), что привело к выводу о возможных общих промежуточных продуктах при синтезе как белков, так и РНК, из которых при необходимости можно получить и то и другое. На самом деле свободный лейцин нужен для регуляторного механизма, чтобы продолжать синтез РНК, вероятно, потому что в условиях голодания клетки, когда свободного лейцина нет, производить новые РНК не нужно. Думаю, легко впасть в ошибку подобного рода – смешение явлений, связанных с природой самого механизма, и явлений, связанных с его регуляцией, – когда пытаешься разобраться в сложной биологической системе.

К этой общей категории стоит отнести еще одну ошибку – когда вспомогательный процесс, возникший в ходе эволюции как корректировка основного процесса, принимают за сам основной процесс и потому делают ложные выводы об основном. Другой вариант – когда о существовании вспомогательного процесса не догадываются и потому заключают, что основной процесс неосуществим. Возьмем, например, частотность ошибок в репликации ДНК. Нетрудно вычислить, что, если у организма миллион кодирующих пар оснований, то частотность ошибок на каждом этапе репликации не должна превышать одну на миллион. (Точную формулу элегантно вывел Манфред Эйген.) Человеческая ДНК состоит примерно из 3 млрд пар оснований (в гаплоидном наборе), и, хотя ныне известно, что лишь небольшая доля из них должна воспроизводиться точно, частотность ошибок не может превышать (по самой грубой оценке) одной на сто миллионов, иначе организм в ходе эволюции будет торпедирован собственными мутациями. Однако существует естественная частотность ошибок репликации [вследствие таутомерической природы оснований], которую затруднительно снизить более чем до 1: 10 000. В таком случае ДНК, безусловно, не может хранить наследственную информацию, ведь ее репликация породит слишком много ошибок.

К счастью, мы никогда не воспринимали этот довод всерьез. Очевидный выход – предположение, что у клетки в ходе эволюции выработались механизмы исправления ошибок. Поскольку двойная спираль несет две (комплементарные) копии кодирующих последовательностей, несложно представить себе, как это может осуществляться. Наблюдаемый уровень частоты ошибок (мутаций) будет отражать ошибки в механизме исправления ошибок, и, следовательно, его значение заметно сократится. Мы с Лесли Орджелом, собственно, отправили Артуру Корнбергу частное письмо, в котором отмечали это и предсказывали, что изучаемый им фермент, который осуществлял репликацию ДНК в пробирке (так называемый фермент Корнберга), должен содержать механизм исправления ошибок. Так и оказалось. ДНК в действительности настолько драгоценная и хрупкая молекула, что, как теперь известно, клетка выработала целый арсенал механизмов починки, чтобы защищать свою ДНК от повреждений – радиационных, химических и прочих. Это именно то, что ожидается от эволюции путем естественного отбора.

Возможно, стоит упомянуть еще один тип ошибок: не надо умничать. Точнее говоря, важно не быть слишком уверенным в собственной аргументации. Это особенно касается отрицательных доводов – что какой-либо подход не стоит и пробовать, потому что он заведомо обречен на провал.

Рассмотрим следующий пример. Насколько мне известно, этот довод никогда не высказывался, но он запросто мог быть высказан в каком-нибудь 1950 г. Розалинда Франклин продемонстрировала, что нити ДНК, в особенности когда они тщательно вытянуты и кристаллизованы при условиях контролируемой влажности, могут давать на рентгенограмме рисунок так называемой А-формы, со множеством отчетливых точек. Если применить теорию преобразований Фурье, то очевидно, что эти точки говорят о регулярно повторяющейся структуре. Но если ДНК – наследственный материал, то она не может иметь регулярные повторы в своей структуре, потому что тогда она не сможет нести информацию. Стало быть, ДНК не может быть носителем наследственности.

Однако на это есть возражение. Пятнышки не появляются на самых малых интервалах. Почему они угасают по такой схеме? Причин может быть две: либо структура обладает высокой регулярностью, но в нити она подвержена случайным искажениям, либо структура частично регулярна, а частично нет. Если так, то почему бы нерегулярному компоненту не быть носителем наследственной информации? Но в таком случае расшифровка регулярных компонентов рентгенограммы, изучение наличествующих пятен не даст нам искомых сведений – о природе наследственной информации, – так зачем тратить на это время?

Теперь, когда ответ известен, понятно, в чем ошибка этого отрицательного довода. Разумеется, рентгенограммы нитей ДНК и вправду ничего не расскажут о сокровенных подробностях последовательности оснований. Зато эти данные подвели нас к модели двойной спирали с парными основаниями (нуклеотидами), и парность оказалась ключевой характеристикой. На низком разрешении, которое дает такая рентгенограмма, любую пару оснований невозможно отличить от любой из трех других, но модель впервые продемонстрировала нам сам факт существования нуклеотидных пар, и этот факт сыграл решающую роль – последовал прорыв в решении проблемы.

Какой же корректный довод следовало применить? Безусловно, следовало сказать, что химическое строение генов – предмет первостепенной важности. Было известно, что гены присутствуют в хромосомах и что там же находится и ДНК. Следовательно, все, что имело отношение к ДНК, необходимо было изучить как можно тщательнее, ведь заранее нельзя наверняка знать, что может обнаружиться. Хотя обдумывать перспективность или бесперспективность тех или иных направлений исследования, безусловно, нужно, разумно не слишком доверяться собственным рассуждениям, иначе вы можете упустить полезный подход, и цена упущения окажется слишком высока.

Приведенный выше пример с ДНК гипотетический, но попадать таким образом впросак мне приходилось неоднократно. Эксперименты показали, что существуют транспортные молекулы РНК (тРНК), что с ними как-то связаны аминокислоты и что, по-видимому, имеется множество типов молекул тРНК, каждому из которых соответствует своя аминокислота. Следующим логичным шагом было выделить хотя бы один тип тРНК из числа остальных, чтобы узнать о нем побольше, поскольку очевидно, что работать с чистой разновидностью проще, чем со смесью.

Проблема заключалась в том, как разделить такую смесь. Я рассуждал в уме, что, поскольку все молекулы тРНК выполняют сходную функцию, в первую очередь задачу вписаться в заданное место (или несколько мест) на рибосоме, они все должны быть очень похожи друг на друга, и их будет трудно рассортировать. Единственным способом это сделать, как мне казалось, было как-нибудь уцепиться за аминокислоту, присоединенную к РНК, если поискать аминокислоту с подходящим радикалом, одновременно химически активным и специфичным, – такую как цистеин. Я даже пытался проделать это экспериментально.

Мое рассуждение не было совсем уж глупостью, но тем не менее оказалось неверным. В ту пору я не мог знать, что у большинства молекул тРНК не одно видоизмененное основание. Эти модификации меняют их поведение на хроматографии и, таким образом, позволяют разделить их гораздо более простыми методами фракционирования, поскольку для начала нам нужна лишь одна разновидность. Нет нужды заранее уточнять, какую из тРНК изучать, – мы просто проведем опыты с той, которую легче всего получить. Как обнаружил молекулярный биолог Боб Холли, таковой оказалась тРНК аланина, которая на хроматографической колонке отделилась от остальных. Очередная мораль для экспериментаторов: будьте рассудительны, но не слишком увлекайтесь отрицательными доводами. Испытайте все возможное и посмотрите, что получится. Теоретики чаще всего не любят такой подход.

Путь к успеху в теоретической биологии, таким образом, чреват ловушками. Можно запросто сделать убедительные упрощающие допущения, провести тщательные математические расчеты, которые в грубом приближении как будто бы сходятся с экспериментальными данными, по крайней мере с некоторыми, и решить, что это достижение. Но вероятность, что от такого подхода будет польза – кроме ублажения самолюбия теоретика, – весьма невелика, особенно в биологии. Более того, к своему удивлению, я обнаружил, что многие теоретики не понимают разницы между моделью и демонстрацией, часто их путая.

В моей терминологии демонстрация значит то же самое, что «авось-теория» (описанная выше на с. 169). То есть она не претендует на приближение к верному ответу, но просто демонстрирует возможность построения такой теории в принципе. В некотором смысле это всего лишь доказательство бытия. Любопытно, но в научной литературе имеется реальный пример подобной демонстрации применительно к генам и ДНК. Выдающийся генетик Лайонел Пенроуз, умерший в 1972 г., в зрелые годы занимал престижную должность профессора Гальтоновской лаборатории генетики в Университетском колледже в Лондоне. Его интересовала возможная структура гена (о ней в ту пору задумывались не все генетики). Кроме того, он любил выпиливание лобзиком по фанере. Он выпилил ряд моделей, демонстрирующих, как могут реплицироваться гены. У деревянных деталек были хитроумные конфигурации, с крючочками и другими приспособлениями, так что, если их встряхнуть, они рассыпались и соединялись заново занимательным образом. Он описал их в научной публикации, а также в более популярной статье для Scientific American. Эта история упомянута в его некрологе, написанном для Королевского общества его сыном Роджером Пенроузом, выдающимся математиком и физиком-теоретиком.

С Лайонелом Пенроузом и его модельками меня познакомил зоолог Мердок Митчисон. Из вежливости я попытался выказать интерес, но мне было трудно воспринимать все это всерьез. Мне это казалось нелепым, ведь дело было в середине 1950-х гг., после нашей публикации о двойной спирали ДНК. Я попытался привлечь внимание Пенроуза к нашей модели, но его гораздо больше увлекали его собственные «модели». Он полагал, что они могут иметь значение для реконструкции начального этапа происхождения жизни, до появления ДНК.

Его деревяшки, насколько я мог судить, не имели внятного отношения к известным (или неизвестным) химическим соединениям. Вряд ли он и правда считал, что гены сделаны из дощечек, но он, похоже, вовсе не интересовался органической химией как таковой. Почему же его подход оказался столь непродуктивным? Причина в том, что его модель была недостаточно приближена к действительности. Разумеется, всякая модель – до той или иной степени упрощение. Наша модель ДНК была сделана из металла, но она довольно точно отражала известные расстояния между атомами и, применительно к водородным связям, учитывала различную силу разных химических связей. Сама по себе она не подчинялась законам квантовой механики, но в известной степени иллюстрировала их. Она не колебалась из-за теплового движения молекул, но мы могли внести поправку на подобные колебания. Решающая разница между нашей моделью и моделями Пенроуза состояла в том, что наша дала возможность точных предсказаний в вопросах, которые не закладывались напрямую в ее устройство. Возможно, не существует четкой границы между демонстрацией и моделью, но в данном случае различие достаточно ясно. Двойная спираль, отображавшая детали химического строения молекулы, была истинной моделью, тогда как модель Пенроуза – не более чем демонстрацией, «авось-теорией».

Тем более нелепо было то, что его «модель» появилась намного позже нашей. Что он в ней находил? Думаю, в глубине души ему просто нравилось выпиливать, баловаться с деревяшками, и его увлекала идея использовать свое любимое хобби для иллюстрации одной из ключевых проблем в его профессиональной сфере – природы генов. Подозреваю, что как раз химию, напротив, он не любил и не хотел утруждаться ею.

Не могу отделаться от мысли, что многие «модели» работы мозга, которыми размахивают со всех сторон, возникают главным образом из-за того, что их авторы любят играть в компьютерные игры и сочинять программы – и впадают в эйфорию, если программа выдает красивый результат. Их как будто и не волнует, использует ли мозг в реальности те методы, которые заложены в их «модели».

Хорошая модель в биологии, следовательно, должна не просто обращаться к насущной проблеме, но при возможности – служить объединению данных, полученных несколькими разными методами, так, чтобы можно было провести несколько независимых проверок. Это не всегда возможно осуществить сразу – так, теория естественного отбора при Дарвине не могла быть проверена на клеточном и молекулярном уровне, – но теория всегда завладевает умами больше, если подкрепляется неожиданными доказательствами, особенно доказательствами из другой категории.