|
Использовав новый метод хроматографии на бумаге, Чаргафф обнаружил, что
между молярными концентрациями пуринов и пиримидинов имеются другие
регулярные соотношения: A=T и G=C. И хотя он не объяснил эти свойства,
стало совершенно ясно, что мономеры нуклеиновых кислот - не
тетрануклеотиды, а четыре стандартных нуклеотида, у которых одинаковая
сахаро-фосфатная часть, участвующая в образовании стандартных фосфо-
диэфирных связей, и различные основания. Их комбинаторика и допускает
огромное разнообразие вариантов.
Тем не менее, даже с учетом этих свойств, генетическую роль ДНК еще
предстояло доказать. Это сделал в 1944 г. О.Эвери с сотрудниками. Еще в
1928 г. английский врач-инфекционист Ф.Гриффитс обнаружил, что пневмококки
одного штамма (невирулентные) приобретают наследуемую вирулентность при
контакте с лизатом инфекционных бактерий, убитых нагреванием (явление
трансформации). Свыше 10 лет Эвери и сотрудники отрабатывали методы
фракционирования лизата бактерий пока, наконец, не выделили активную
фракцию, по физико-химическим свойствам совпадающую с ДНК. С одной стороны,
это была сенсация, опровергавшая тетрануклеотидную гипотезу (ДНК обладала
генетическими свойствами), с другой - интерпретация такой трансформации не
была однозначной. ДНК могла быть либо генетическим материалом, который
рекомбинирует с гомологичным геномом бактерии-реципиента, либо мутагеном,
вызывающим мутации генов (тогда природа генов может быть другой), либо
специфическим сигналом, переключающим функциональное состояние гена (этот
вариант выявился позже). Дж.Ледерберг насчитал семь альтернативных гипотез
о природе трансформации. Многие генетики не поняли фундаментального
значения работы Эвери. Например, выдающийся цитолог А.Мирский, работавший в
том же Рокфеллеровском институте, резко возражал против доказательств
трансформирующей роли ДНК.
Тем не менее, значительная группа биохимиков, генетиков и физиков
сосредоточилась на изучении химии, генетической роли и молекулярного
строения ДНК. Дискуссии прекратились только после 1952 г., когда А.Херши и
М.Чейз показали, что при заражении бактерии E.coli фагом T2 инфекционным
началом является почти чистая ДНК фага 2. Эвери умер в 1955 г., не
дождавшись своей Нобелевской премии, которой, несомненно, был достоин. В
1939 - 1940 гг. близкое открытие сделал С.М.Гершензон в Киеве, показав, что
введение или скармливание дрозофиле чужеродной ДНК вызывает вспышку мутаций
признаков крыла.
Двойная спираль ДНК
Следующее "одиночное касание", высекшее "искру гения", состоялось в
английском Кембридже между двумя очень непохожими людьми. Осенью 1951 г.
туда приехал Дж.Уотсон, только что защитивший докторскую диссертацию у
С.Лурии в Университете штата Индиана (США). Он был членом "фаговой группы"
М.Дельбрюка и находился под влиянием этой легендарной личности, а также
книги Э.Шредингера "Что такое жизнь". Его "интерес к ДНК вырос из
возникшего в колледже на последнем курсе желания узнать, что же такое ген".
Формально Уотсон получил стипендию для изучения методов
рентгеноструктурного анализа белков в группе М.Перуца в Кавендишской
лаборатории Кембриджского университета. Тогда в этой группе физик Ф.Крик
работал над теорией дифракции рентгеновских лучей. Во время войны он
занимался оборонными исследованиями в Военно-морском ведомстве. В 1946 г.
под впечатлением книги Э.Шредингера и лекции Л.Полинга он решил заняться
приложением физики в биологии.
Итак, Уотсон и Крик оказались в одной комнате. Позже Уотсон вспоминал:
"После разговоров с Френсисом моя судьба была решена. Мы быстро поняли, что
в биологии мы намереваемся идти одинаковым путем. Центральной проблемой
биологии были ген и контролируемый им метаболизм. Главной задачей было
понять репликацию гена и путь, которым гены контролируют синтез белков.
Было очевидно, что приступить к решению этих проблем можно лишь после того,
как станет ясной структура гена. А это значило выяснение структуры ДНК".
"В лаборатории Макса Перуца. нашелся человек, который знал, что ДНК
важнее, чем белки, - это было настоящей удачей.
Вот как Ф.Португал и Дж.Коэн характеризуют этот научный тандем:
"Контраст между Уотсоном и Криком мог показаться очень большим. Крику
во время их встречи в 1951 г. было 35 лет, и он еще не имел докторской
степени. Уотсону было 23 года, он получил свою докторскую степень необычно
рано - в 22 года и был приглашен в члены фаговой группы. Крик был крупным и
гениальным, Уотсон - тощим и угловатым. Но они имели много общего. Оба были
одиночками, которые, тем не менее, не скрывали своих веских идей по многим
вопросам. Оба имели выраженный интерес к открытию строения генетического
материала. Но там, где из разных подходов - рентгеноструктурного анализа и
генетики фагов - возникала их комплементарность, такой синтез вел к
существенным результатам. В этом важном отношении Уотсон выполнял роль
моста между информационной и структурной школой в молекулярной биологии".
Чтобы понять причины успеха совместной работы Уотсона и Крика, надо
учесть некоторые обстоятельства.
Во-первых, поблизости от Кембриджа, в Лондонском Кингс-Колледже,
работали крупнейшие английские специалисты по рентгеноструктурному анализу
ДНК, М.Уилкинс и Р.Франклин. Именно их экспериментальные данные Уотсон и
Крик использовали для обоснования и проверки своей модели.
Во-вторых, существенную роль для молодых исследователей играл дух
конкуренции с крупнейшим американским физико-химиком Лайнусом Полингом. В
то время звезда Полинга достигла своего зенита: он был автором блестящей
классической книги "Природа химической связи" (1939); вместе с Г.Кори
теоретически, с помощью молекулярных стереомоделей, предсказали
существование альфа-спиралей в глобулярных белках. С тех пор идея спирали
как бы "висела в воздухе" применительно к любым макромолекулам. Вот мнение
Дж.Уотсона: "Спирали в то время были в центре внимания лаборатории, главным
образом из-за альфа-спирали Полинга". Через несколько дней после
моего (Уотсона. - В.Р.) приезда мы уже знали, что нам следует предпринять:
пойти по пути Полинга и одержать над ним победу его же оружием". Но и
Полинг активно обдумывал варианты молекулярных моделей ДНК.
В-третьих, к началу работы Крик уже имел опыт разработки теории
диффракции рентгеновых лучей на спиралях, что позволяло ему мгновенно
отыскивать признаки спиральности на фотографиях диффракции рентгеновских
лучей. Иначе говоря, он был подготовлен к поиску спиралей.
В-четвертых, Уотсон и Крик понимали, что ставки очень высоки. Речь шла
о молекулярной структуре генов - ключевых объектов биологической
организации. Это требование налагало на любую модель ряд очевидных
требований. Следовало в молекулярных терминах объяснить, как гены выполняют
свои основные функции: самоудвоение, мутирование, запись информации,
контроль над синтезом белков и др.
В частности, следовало понять, каков механизм самоудвоения (репликации)
ДНК. Генетическая традиция, основанная на микрофотографиях поведения
хромосом в митозе и мейозе, постулировала идею гомологичного узнавания
подобных генов и сегментов хромосом. Уже в модели Н.К.Кольцова репликация
хромосом рисуется как гомологичное выстраивание сегментов вдоль матрицы.
Для этого требуются определенные молекулярные силы и отношения. Поддерживая
этот подход, известный немецкий физик-теоретик П.Иордан предположил, что
помимо известного физико-химического "близкодействия" (Ван-дер-Ваальсовы
силы, солевые мостики, водородные связи и др.) существуют пока неизвестные
квантовые резонансные "силы дальнодействия", которые способны притягивать
гомологичные структуры друг к другу.
Против этого резко возражал Полинг. Весь опыт структурной химии и
квантовой физики подсказывал ему, что воображаемые "силы дальнодействия" -
это фикция. Что касается "сил близкодействия", то они требуют наиболее
тесного контакта между взаимодействующими молекулярными поверхностями.
Ясно, что этому отвечал широко известный к тому времени принцип
взаимодействия антиген - антитело, фермент - субстрат и др., т.е. принцип
"ключ - замок". Иначе говоря, тесно взаимодействующие поверхности должны
быть взаимно комплементарны. В 1940 г. Полинг и Дельбрюк изложили свои
аргументы против Иордана в журнале "Science".
Мозговой штурм продолжался 18 месяцев. Он сопровождался довольно
сложными отношениями между его участниками. Так, Уотсон и Крик встречали
решительный отпор со стороны Франклин, хотя именно ее данные по В-форме ДНК
дали ключевой импульс для разработки модели и лучше всего соответствовали
результатам моделирования. Авторы перебрали многие десятки возможных
спиральных структур, но все они имели какие-нибудь недостатки.
Полинг тоже исследовал различные варианты спиральных структур, но он
остановился на трехцепочечных спиралях, т.е. пошел по неправильному пути.
Отсутствие непосредственных контактов Уотсона - Крика и Полинга позволило
первым совершить "интеллектуальный рывок". Даже случай способствовал этому.
Полинг неоднократно просил прислать ему рентгенограммы диффракции, но
Уилкинс не торопился. А когда Полинг собрался на конференцию в Лондон,
чтобы посетить Кембридж и увидеть все воочию, Госдепартамент США не выдал
ему визу (!). Виной тому была активная пацифистская деятельность Полинга
против ядерных испытаний.
В начале 1953 г. Уотсон и Крик познакомились (полулегально!) с
последними данными Франклин по диффракции рентгеновских лучей на препаратах
В-формы ДНК в условиях высокой влажности. Они сразу узнали признаки спирали
с шагом 34 A и диаметром 20 A . Для проверки срочно нужны были
стереомодели, однако мастерские задерживали изготовление металлических
деталей, моделирующих пурины и пиримидины. Тогда Уотсон нарезал их из
толстого картона и стал раскладывать на плоскости стола. Тут его и настигло
озарение. Впоследствии он вспоминал: "И вдруг я заметил, что пара аденин -
тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму,
как и пара гуанин - цитозин, тоже соединенная, по меньшей мере, двумя
водородными связями. Если пурин всегда соединяется водородными
связями с пиримидином, то две нерегулярные последовательности оснований
прекрасно укладываются регулярно в центре спирали. При этом аденин всегда
должен спариваться только с тимином, а гуанин только с цитозином, и правила
Чаргаффа, таким образом, неожиданно оказывались следствием двуспиральной
структуры ДНК. А главное, такая двойная спираль подсказывала гораздо более
приемлемую схему репликации. Последовательности оснований двух
переплетенных цепей комплементарны друг другу. Поэтому было очень
легко представить себе, как одна цепь может стать матрицей для другой".
В течение ближайших дней была построена стерео-модель двуцепочечной
ДНК. Она оказалась правовинтовой спиралью с противоположной ориентацией
цепей.
"Уже через два дня Морис (Уилкинс. - В.Р.) позвонил нам и сказал, что,
как убедились они с Рози (Франклин. - В.Р.) рентгенографические данные явно
подтверждают существование двойной спирали".
В мае 1953 г. вышла первая статья о двойной спирали ДНК.
"Полинг впервые услышал о двойной спирали от Дельбрюка. Полинг, как и
Дельбрюк, был сразу же покорен. ... Открытие двойной спирали принесло нам
не только радость, но и облегчение. Это было невероятно интересно и сразу
позволило нам сделать важное предположение о механизме дупликации генов".
Модель Уотсона - Крика благодаря своим неоспоримым достоинствам
признали быстро и повсеместно. Она полностью выдержала также испытание
временем. Одним ударом она разрешила множество трудных проблем; прежде
всего объяснила правила Чаргаффа и рентгеноструктурные данные. Сам Чаргафф,
который весьма скептически относился к тандему Уотсон - Крик, не смог
ничего возразить по существу, его критика скорее напоминала брюзжание:
"...мне кажется, что то огромное искусство и изобретательность, которые
были затрачены на конструирование различных малоподходящих моделей, по
существу пропали даром".
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|
