Главный вопрос жизни, наследственности и всего такого

Какая «Церковь» помогла науке, как один красивый эксперимент поставил точку в многолетнем споре биологов и какие пути привели абстрактную менделевскую генетику к «материальному носителю», читайте в рубрике «История науки».

Проблема четырех букв

Было бы весьма наивно предполагать, что Уотсон и Крик, а также Розалинд Франклин и Морис Уилкинс открыли структуру двойной спирали ДНК, достав ее словно фокусники из рукава. Обсуждение того, какие вещества могут получить гордое звание «молекул наследственности», было довольно бурным и длилось не один год — еще с конца XIX века. Точку в нем смог поставить изящный по своей простоте эксперимент, 65-летие публикации отчета о котором можно отметить сегодня, 20 сентября.

Молекула ДНК на первый взгляд кажется не лучшим носителем информации. Она полимер, цепь (как позднее выяснилось, двойная), которая состоит всего из четырех типов звеньев-мономеров, которые называются нуклеотидами. Они отличаются друг от друга частями, которые называются азотистыми основаниями. Получается, что в «ДНК-алфавите» всего четыре «буквы». Их чаще всего и записывают буквами: А (аденин), Г (гуанин), Ц (цитозин) и Т (тимин). Казалось бы, много слов четырьмя буквами не напишешь. То ли дело белки, мономеров которых (у белков это аминокислоты) больше 20 типов. А какое разнообразие структур и вариаций, как по-разному они могут укладываться и сворачиваться! Если уж записывать наследственные признаки (а их великое множество — от цвета глаз до групп крови), создавать «инструкции», по которым можно из одной клетки построить большой сложный организм, то белки кажутся гораздо более подходящим типом «алфавита».

При этом многим ученым само понятие «ген» казалось поначалу математической абстракцией. Уследить за биохимическим механизмом наследования даже такого признака, как цвет глаз, у популярной в среде ученых мухи дрозофилы было весьма непростой задачей. Даже хромосомы дрозофил, которые изучал известный генетик Томас Морган, содержат и ДНК, и белки. Что из этих молекул было настоящим кодом жизни, а что — простым каркасом, еще только предстояло выяснить.

Хлебная плесень и «бактериальное скрещивание»

Аспирант Моргана Джордж Бидл задался этой амбициозной целью вместе с биохимиком Эдвардом Тейтемом, но быстро понял, что она невыполнима. Поэтому они нацелились на более простой объект — хлебную плесень Neurospora crassa, у которой, хотя и не было ни глаз, ни лапок, были белки-ферменты, отвечавшие за синтез аминокислот. Под воздействием радиации некоторые плесени Бидла и Тейтема теряли способность синтезировать определенные аминокислоты и росли только на среде, в которую эти аминокислоты уже добавлены. Скрещивая разных мутантов плесени, ученые в 1941 году доказали: за каждый белок-фермент, нужный для синтеза какой-либо из аминокислот, отвечает один ген.

Эдвард Тейтем решил проверить, работает ли та же закономерность (один ген — один фермент) у бактерий. У дрозофил и плесени в клетках есть ядро, а в этом ядре есть хромосомы, влияя на которые можно получать разных мутантов. У бактерий все по-другому: ядра нет, хромосом не видно. Скрестить две особи, чтобы посмотреть на потомков (как любили делать генетики) тоже было невозможно: бактерии размножаются делением, и никакие другие бактерии в этом процессе не участвуют. Однако Тейтем смог провести с E.coli тот же опыт, что и с хлебной плесенью, и получить такие же результаты, хотя оценивал свое открытие очень осторожно, отмечая, что в случае с бактериями понятие «ген» можно использовать только в самом общем смысле.

Еще один молодой аспирант, пришедший уже в лабораторию к Тейтему, изменил это мнение, чтобы спасти бактерии от «дискриминации по половому признаку». Точнее, по его отсутствию, а значит, и по отсутствию возможности обмениваться генетическим материалом.

Его звали Джошуа Ледерберг. В свои двадцать лет он успел поработать с малярийными плазмодиями (одноклеточными простейшими, вызывающими малярию), которые умели размножаться половым способом. Хотя они были организмами с ядром, чего о бактериях сказать нельзя, Ледерберг был уверен, что у бактерий тоже должен быть свой аналог полового процесса. И нашел его, после многократных неудач увидев, что бактерии могут меняться генетическим материалом, передавая друг другу способности синтезировать определенные аминокислоты.

Нобелевская премия стоит мессы

Одновременно с Ледербергом другие ученые пытались найти ключ к разгадке вопросов наследственности в простой по сравнению с дрозофилами E.coli, но занимались они не самими бактериями, а вирусами, которые на них нападают, бактериофагами (или сокращенно — фагами, от греч. «пожираю»).

Приверженцы «Церкви фагов» установили, что их любимый объект состоит из капсида — белковой оболочки красивой геометрической формы. У него есть нечто вроде шприца, которым он вводит в бактерию какое-то вещество. Заняться этим вопросом решил Альфред Херши, выпускник Мичиганского колледжа и сотрудник кафедры генетики в частном исследовательском центре в Колд-Спринг-Храбор. Херши изучал размножение вирусов-бактериофагов T2 (второго типа), которые тоже поражали E.coli.

Альфреду помогала его коллега Марта Чейз родом из Огайо. На тот момент девушка только недавно успела получить степень бакалавра в Вустерском колледже свободных искусств, девиз которого, забавно перекликаясь с самоназванием группы по изучению фагов, гласит: «Наука и религия из одного источника» (или «Scientia et religio ex uno fonte» в оригинале на латыни).

Их эксперимент вошел в историю, и в совокупности с другими заслугами принес Нобелевскую премию Альфреду Херши в 1969 году. Эту высокую награду он разделил с двумя адептами «Церкви фагов», Лурией и Дельбрюком, тоже изучавшими размножение вирусов.

Добавить радиоактивные изотопы и хорошенько перемешать

Херши и Чейз поселили одну группу E.coli на среде, содержащей радиоактивный изотоп серы, а другую — на той, куда был добавлен радиоактивный фосфор. Зная, что сера есть только в белках (точнее, в двух аминокислотах), а фосфор — лишь в ДНК, ученые заразили каждую группу бактерий фагами T2. Поскольку бактериофаги, как и все вирусы, не могут сами создавать себе подобных, а пользуются «машинерией» по сборке белков, заключенной в бактериях, фаги полностью построены из элементов, которые поглотила зараженная ими клетка. Поэтому после такой подготовки Херши и Чейз получили фаги с ДНК, помеченной радиоактивным изотопом фосфора, и фаги с капсидом, содержащим меченные серой белки.

На тот момент уже было известно, что для заражения фагу нужно прикрепиться к оболочке своей жертвы-клетки. Поэтому ученые добавили каждый из видов фагов к уже новым, «чистым» E.coli, дали вирусам время, чтобы присоединиться к бактериям и ввести свое наследственное вещество, а потом поместили в высокоскоростную центрифугу, чтобы разорвать связь между ними.

Белки вирусов (капсиды) и бактерии с вирусной «начинкой» были разделены: тяжелые бактерии осели вниз, а более легкие, маленькие кусочки капсидов остались наверху. Херши и Чейз взяли пробу из осевших зараженных бактерий и нашли там только фосфорные метки. Когда они добавляли изотопы серы, в бактериях ее не находили, зато она в избытке встречалась в верхней, легкой части, где были белки вирусов. Так ученые доказали, что никаких белков вирусы в бактерии не вводят, и все их наследственные признаки записаны все-таки в ДНК, которой оказывается совершенно достаточно для заражения бактерий и воспроизводства новых вирусов.

Эти эксперименты подтвердили предположение врача Освальда Эйвери, который еще в 1944 году заметил, что неопасные пневмококки можно превратить в смертельных врагов человека, всего лишь добавив к ним ДНК патогенного штамма. Добавление белка, взятого у опасного родственника, напротив, никак на способность пневмококков заражать людей не влияло. Скептики тогда не поверили — они решили, что их коллега просто плохо очистил препарат, и в него попало немного белка. Но после Херши и Чейза возражений у противников не осталось. Идея о том, что, несмотря на свою кажущуюся простоту, именно молекулы ДНК заключают в себе наследственные признаки организма, стала неоспоримой. А уже через год она была блестяще дополнена моделью двойной спирали Уотсона и Крика.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.