Сергей Ястребов - От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни

Таким образом, биохимики (вернее, те из них, кого это вообще интересовало) были вынуждены изучать ДНК в гордом одиночестве. Причем «сухой остаток» от этой долгой и трудной работы был довольно скромным. Стало понятно, что нуклеиновая кислота — это полимер, состоящий из нуклеозидов, соединенных фосфатными мостиками, то есть, иными словами, из нуклеотидов. И выяснилось, что нуклеотиды в ДНК бывают четырех типов: адениновый, гуаниновый, цитозиновый или тиминовый. Никаких далеко идущих выводов эти факты не породили. Ну, вещество себе и вещество. Ясно, что оно участвует в клеточном ядре в каких-то биохимических процессах, ну так мало ли там всего разного участвует! Где-то так, по-видимому, и думало большинство биологов к началу 1930-х годов.

Между тем гигантский маховик под названием «развитие научных представлений» продолжал проворачиваться. В 1926 году американский генетик Герман Мёллер открыл радиационный мутагенез, то есть повышение частоты генетических мутаций под действием электромагнитных лучей, в данном случае — рентгеновских. Если попадание кванта рентгеновского излучения может изменить структуру гена, значит, ген — это молекула? А если молекула, то должна же у нее быть какая-то химическая формула! И таким образом, вопрос о химической природе наследственного вещества вновь встал на повестку дня.

В начале 1930-х практически все биологи, задававшиеся этим вопросом, считали, что гены — это белки. Почему? Во-первых, к тому времени уже все знали, что белки химически гораздо разнообразнее: в них входит 20 разных типов мономеров, а в составе ДНК — всего четыре типа. Во-вторых, биохимики, изучавшие ДНК в первой трети XX века, наряду со множеством полезных открытий допустили одну простительную, но тем не менее очень серьезную неточность. Они решили, что четыре типа нуклеотидов (адениновый, гуаниновый, тиминовый и цитозиновый) входят в состав ДНК в строго равных концентрациях:

[А] = [Т] = [Г] = [Ц]

Самое логичное объяснение этих данных выглядело так: ДНК, какой бы длины она ни была, должна состоять из одинаковых четырехнуклеотидных блоков, в каждом из которых есть по одному «А», по одному «Т», по одному «Г» и по одному «Ц». Представить, что такой однообразный полимер каким-то образом хранит информацию, было невозможно. Приходилось считать, что ДНК — рядовой участник обмена веществ, разве что специфичный почему-то именно для клеточных ядер.

Впрочем, мнения и тогда бывали разные. В 1933 году работавший в США хорватский биолог Милислав Демерец опубликовал буквально витавшую к тому времени в воздухе гипотезу, что любой ген — это молекула [55] Demerec M. What is a gene? // Journal of Heredity , 1933, V. 24, № 10, 369–378. . Пусть и большая молекула, но одна-единственная. Тогда генетическая мутация — просто изменение взаимного расположения атомов в этой молекуле. А в качестве примера того, из чего такая молекула могла бы состоять, Демерец привел не что иное, как схему гипотетического четырехнуклеотидного блока ДНК! Биология опять почти нащупала материальный носитель наследственности — и опять отступила (правда, теперь уже ненадолго). На этот раз биологов подвела химия. Структура нуклеиновых кислот была все-таки еще слишком плохо известна. К примеру, на предложенной Демерцом формуле ДНК значилась гликозидная связь между остатками сахара (см. главу 6), чего на самом деле ни в каких нуклеиновых кислотах не бывает.

Тут самое время вспомнить замечательного русского биолога Николая Константиновича Кольцова, занимавшего в интересующие нас годы должность директора Института экспериментальной биологии в Москве, на улице Воронцово Поле, что у Яузского бульвара. Кольцов — фигура ярчайшая, о его роли в нашей биологии написано немало статей и книг. Сейчас достаточно сказать, что он одним из первых задумался не только о химической основе наследственных качеств, но и о молекулярном механизме их передачи и тут сумел во многом, что называется, опередить свое время (см. главу 3). В 1935 году Кольцов опубликовал следующую гипотезу: ген — это участок очень длинной белковой цепочки, возможно состоящей из тысяч или десятков тысяч аминокислот, чередованием которых, собственно, и кодируется генетическая информация. Забегая вперед, сообщим, что если бы Кольцов заменил белок на ДНК, а аминокислоты на нуклеотиды, то он бы оказался попросту абсолютно прав. К сожалению, такого чуда не случилось. В тех же самых статьях Кольцов убежденно возражает Демерцу: ДНК — «сравнительно простое органическое соединение, которому было бы странно приписывать роль носителя наследственных свойств». То ли дело белки! Приведем сокращенную цитату:

«Некоторые цитологи придают нуклеиновой кислоте особо важное значение. Так, Демерец считает, что все гены являются лишь вариантами или даже просто изомерами нуклеиновой кислоты. Я никак не могу с этим согласиться, так как молекулярная структура нуклеиновой кислоты слишком проста и однородна. Ведь это, прежде всего, не белковая молекула. У всех животных и растений нуклеиновая кислота одинакова или почти одинакова: думать о миллионах изомеров этой молекулы не приходится. Я считаю поэтому, что нуклеиновая кислота никакого отношения к генам не имеет».

Поясним, что цитология — это область биологии, изучающая строение клетки. А мысль о том, что все гены являются изомерами нуклеиновой кислоты, не только красива, но и, как мы сейчас понимаем, по сути абсолютно верна. В данном случае Кольцов попал пальцем в небо из-за того, что слишком доверился биохимикам. А последние как раз в те годы стали почему-то склоняться к мнению, что ДНК — вообще не полимер, а совсем небольшая молекула, состоящая всего-то из четырех нуклеотидов (те самые «А», «Т», «Г» и «Ц»). Просто в ядре таких молекул очень много, вот и получается большая масса. Сам Кольцов не был биохимиком, поэтому не мог оценить, насколько эти данные надежны или ненадежны. Если бы он отважился допустить, что его открытая «на кончике пера» молекула наследственности не состоящий из тысяч аминокислот белок, а состоящая из тысяч нуклеотидов ДНК, это могло бы изменить всю мировую биологию. Но, насколько можно судить, Кольцову такое в голову не пришло. И никому другому в 1930-е годы — тем более.

Полемика Кольцова и Демерца хорошо показывает, сколь непрямыми путями обычно идет научная мысль. Две идеи, каждая из которых в отдельности была совершенно верна, столкнулись и разошлись. Слияния не произошло. Хотя ждать его оставалось уже совсем недолго.

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери экспериментально показал, что ДНК, и только ДНК может вызвать трансформацию одной разновидности бактерий в другую — в данном случае безопасного штамма пневмококка в болезнетворный, вызывающий инфекционное воспаление легких [56] Avery O. T., MacLeod C. M., McCarty M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of Pneumococcal types // Journal of Experimental Medicine , 1944, V. 79, № 2, 137–158. . Вот этот момент и следует считать открытием генетической роли ДНК (см. рис. 8.2).