Нова ера
1953: Сталін помирає в Москві, Едмунд Хілларі і Тенцинг Норгей піднімаються на Еверест, Елізабет II коронується, червневе повстання в НДР криваво придушується, у Німеччині з'являється перше видання "Плейбоя". Тим часом американський біолог Джеймс Уотсон та британський фізик Френсіс Крик возиться з моделями ДНК у затишному Кембриджі, Великобританія, непомітно для громадськості. У лютому Крик голосно оголосив у своєму місцевому пабі Ігл, що вони розкрили таємницю всього життя: ДНК, що є носієм генетичного матеріалу, є подвійною спіраллю за годинниковою стрілкою, подвійною спіраллю. Два дослідники відкрили надзвичайно успішну еру молекулярної біології, останню кульмінацію якої публічно відзначили три роки тому Білл Клінтон і Тоні Блер разом із дослідниками геному: розшифровка трьох мільярдів біохімічних букв геному людини.
У середині минулого століття вже існувала думка, що гени - це елементи, що несуть у собі спадкові властивості життя. Але інакше існувало «бездонне незнання», як писав генетик Герман Йозеф Мюллер у 1950 році. Що таке ген, з чого він створений? Були докази того, що гени розташовані в хромосомах. Хромосоми складаються з ДНК та білків. Спочатку більшість біологів та біохіміків шукали гени не в тому місці - у різноманітності білків. Тому що вони не могли пояснити, як така проста молекула, як ДНК, - яка складається лише з фосфату, цукру дезоксирибози та чотирьох основ аденина, цитозину, гуаніну та тиміну - таїть у собі велику таємницю спадковості, основу всього різноманіття в житті має бути.
На цій підставі Ватсон і Крик розробили структуру, яка без суперечності відповідає всім відомим даним: права подвійна спіраль діаметром дві мільйонні частки міліметра, внутрішні основи та зовнішній фосфатно-цукровий ланцюг. Довгий час вчені могли лише побічно довести подвійну спіраль. Лише коли стало можливим синтезувати та кристалізувати короткі шматочки ДНК з будь-якою бажаною базовою послідовністю та проводити рентгеноструктурний аналіз цих кристалів, незаперечні докази подвійної спіралі були знайдені на початку 1980-х - понад чверть століття після першої моделі.
Видатне властивість подвійної спіралі полягає в спарюванні їхніх основ. Аденин і тимін, а також цитозин і гуанін лежать навпроти один одного і утримують один одного на місці за допомогою атомів водню. Якщо дві нитки спіралі розділені, основи відповідної нитки показують, як повинна виглядати протилежна нитка подвійної спіралі. Тільки цей принцип, згідно з яким кожен ланцюг ДНК є негативною формою його ланцюга-партнера, дозволяє копіювати структуру, не руйнуючись та не втрачаючи інформацію. Уотсон і Крик це вже визнали. "Ми не уникли нашої уваги, що конкретна пара, яку ми постулювали, включає можливий механізм копіювання генетичного матеріалу", - написали вони, - мабуть, найбільше заниження британського стилю в історії науки.
Однак двоє дослідників не змогли надати докази механізму копіювання. Це було зарезервовано для Метью Мезельсона та Франкліна Шталя з їх «найкрасивішим біологічним експериментом», як прокоментувала минулорічна лауреатка Нобелівської премії Сідней Бреннер. У 1957 році двоє біологів продемонстрували, що подвійна спіраль відкривається як блискавка під час реплікації. Кожен з двох ланцюгів ДНК залишається цілим і служить шаблоном для синтезу нового, комплементарного ланцюга ДНК. Це створює дві подвійні спіралі, кожна з яких складається із старого та нещодавно продукованого ланцюга ДНК. Коли клітини діляться, кожна дочірня клітина отримує таку змішану подвійну спіраль, і немає, як можна було б очікувати, абсолютно нової подвійної спіралі ДНК в дочірній клітині і старої молекули в батьківській клітині.
Сьогодні важко уявити, що дослідники довго сумнівалися в цьому геніальному винаході природи. І це лише тому, що вони не могли пояснити, як подвійній спіралі вдається розмотатися в процесі подвоєння - досягнення, яке досягає ціла компанія різних білків, як пізніше виявили дослідники. Після 1953 р. Молекулярна біологія стрімко зросла. Спочатку дослідники задавали собі питання, як інформацію, що зберігається в ДНК клітинного ядра, можна перетворити на білок - процес, що відбувається поза клітинним ядром. І вони задавались питанням, як будівельні блоки білків, амінокислот, можуть кодуватися в базовій послідовності ДНК. До того ж: Як повинні виглядати інструкції щодо побудови білків - генів, де вони повинні починатися, де повинен бути їх кінець? Чи перекриваються чи зберігаються гени один за одним у ДНК? Питання за питанням - і все ж майже всі вони були вирішені менш ніж за десять років молекулярної біології. Дослідники встановили
• РНК-месенджер, проект ДНК, який мігрує з клітинного ядра в клітинну рідину і використовується там як інструкція з побудови синтезу білка,
• тРНК (переносна РНК), яка постачає амінокислоти, необхідні для виробництва білка та
Ще в 1954 р. Російський фізик Джордж Гамов постулював, що ДНК повинна мати код. Разом з Френсісом Криком він розвинув ідею, що комбінації з трьох основ можуть представляти одну амінокислоту. Тож можливі 43, або 64 різні комбінації з трьох, так званих кодонів. Нарешті, в 1965 році було відомо значення всіх кодонів. Жоден не використовується:
• 60 кодонів програмують амінокислоти, деякі амінокислоти кодуються кількома кодонами, інші лише одним.
• Решта 4 кодони виявилися сигналами старту та трьох зупинок, які вказують на початок і кінець гена.
На основі своїх нових даних вчені незабаром сформулювали тезу, яка і донині є "центральною догмою генетики" в підручниках: "Ген робить РНК-месенджер, РНК-месенджер - білок". Але ця ідея була вірною занадто просто, як виявилося з роками. Дослідники виявили ряд цікавинок, особливо в геномах вищих організмів:
• гени, що стрибають у геномі, • гени, які повторюються безліч разів і
• Гени, частини кодування яких дослідники називають екзонами, неодноразово перериваються некодуючими послідовностями - інтронами. Хоча вся послідовність генів продукує РНК-месенджер від початку до кінця, інтрони вирізані з неї.
Вченим ще довелося пройти довгий шлях, перш ніж вони дійшли такого висновку, починаючи з кінця 1960-х з відкриттям ферментів рестрикції швейцарцем Вернером Арбером. Ці ферменти працюють як молекулярні ножиці ДНК. Вони розпізнають певні послідовності ДНК і розщеплюють їх у цей момент. За допомогою цих ферментів можна було цілеспрямовано розрізати ДНК, рекомбінувати її, вставити в бактерії і побачити, як мікроби реагують на неї. Властивості організмів стали керованими, стала можливою генна інженерія.
За останні 20 років завдяки дослідженням ДНК сталося неймовірне: вчені не тільки навчилися виробляти генетично модифіковані бактерії, але й створили нові рослини та тварин із модифікованими генами. Ці організми допомогли вирішити біологічні та медичні загадки, і вони стали головним економічним фактором. У 1976 році Genentech стала першою компанією, яка заробляла на життя генною інженерією - сьогодні таких компаній тисячі. Вже в 1977 році Genentech повідомив, що там у бактеріях виробляється перший людський білок: соматостатин, білок, який інгібує гормони росту. Почався вік промислової генної інженерії. Сьогодні генетично сконструйований людський інсулін щодня допомагає сотням тисяч діабетиків. Генна інженерія також пробилася у сільському господарстві. Хоча дискусія щодо того, чи є генетично модифіковані культури екологічно нешкідливими, все ще є інтенсивною, і обмежувальні закони в Європі обмежують торгівлю такими рослинами та продуктами, отриманими з них, на Американському континенті ростуть генетично модифіковані рослини кукурудзи, сої та ріпаку Мільйон гектарів ріллі.
Нарешті, 90-ті роки стали часом для розробки нових технологій, автоматизації, геномних досліджень та медичної молекулярної біології. Повідомлення про гени, які викликають спадкові захворювання або пов’язані із такими загальними захворюваннями, як цукровий діабет, високий кров’яний тиск або ожиріння, виявилися абсолютно інфляційними. Наразі ці знання в основному використовувались для кращих методів діагностики, наприклад для виявлення спадкових захворювань. Протягом найближчих кількох десятиліть очікуються нові методи лікування.
Десять років тому ще було легко виконати кілька докторських дисертацій із виділенням, секвенуванням та функціональним аналізом одного гена. Сьогодні біочіпи можна використовувати для тестування не просто функції гена, а тисяч генів в одному експерименті. А секвенування цілих геномів мікробів займає лише кілька днів завдяки автоматизованим системам та новому програмному забезпеченню. Це правда, що послідовності геномів безпосередньо не розуміють, як організм розвивається і як він функціонує. Але знати це все одно дуже корисно. Коли порівнювали послідовності споріднених організмів, виявилося, наприклад, що з них можна відлічити хід еволюції.
ДНК - це архів спорідненості: подібності та відмінності в генетичній інформації відображають не лише спорідненість двох особин, а й різних видів. Вже в 1949 році дослідник генетичних наук Макс Дельбрюк передбачив з величезною передбачуваністю: "Кожна жива клітина має досвід експериментів, проведених її предками протягом мільярда років".
"Обчислення ДНК", як це називається в сучасній німецькій мові, є складним, і перед розробкою машин для обчислення ДНК ще слід зробити величезну кількість. Але навіть елементарні біологічні процеси, такі як реплікація ДНК та регулювання синтезу білка, не були повністю вивчені. Навіть структура наших хромосом все ще зберігає секрети.
Через 50 років після свого відкриття подвійна спіраль все ще знаходиться в центрі уваги громадськості. Поки незліченні авантюристи бігали по найвищій горі на землі, більше не засмучуються через Playboy і рідко згадують Сталіна чи Черчілля, подвійна спіраль присутня як ніколи. Не тільки в науці, але й у мистецтві та економіці та навіть у політиці - принаймні у Великобританії та США.
Однак німецькі політики не святкують річницю ДНК. Ганс Лерах не дивується: "Німецькі дослідники розшифрували частину людського геному, але коли Клінтон і Блер публічно оголосили результат цих міжнародних спільних зусиль, канцлера Німеччини там теж не було".
• П'ятдесят років тому в Кембриджі, Англія, Френсіс Крик, Джеймс Уотсон, Розалінд Франклін та Моріс Вілкінс виявили, як виглядає ДНК, найбільша в світі молекула.
• Теорія подвійної спіралі ДНК спочатку була суперечливою, але незабаром збудила багатьох вчених.
• З розшифровкою структури ДНК стартовий знімок був зроблений для сучасної молекулярної біології і, отже, для комерційного використання генетичної інформації.