Ольга Шестова - 30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину [litres]

Установление истинной структуры ДНК и роли этой молекулы в жизни клетки определило ход научной мысли на многие годы вперед. Именно благодаря этому открытию стали возможны клонирование, получение генно-модифицированных организмов, установление родственных связей при помощи анализа ДНК и многие другие практически значимые технологии. Пожалуй, самым интересным научный путь получился у Джеймса Уотсона, самого молодого из ученых, определивших структуру ДНК. В 1990 году, через несколько десятилетий после своего нобелевского открытия, Уотсон возглавил всемирный проект «Геном человека», призванный расшифровать последовательность человеческой ДНК. Более того, ученый стал первым Homo sapiens , чей генетический код был полностью расшифрован. Это произошло в 2007 году.

Однако и здесь все непросто. Доктор Уотсон не захотел узнавать в подробностях информацию о своем геноме. Ученый просил не сообщать ему, если при секвенировании выяснится, что он носитель гена под названием ApoE4 (иными словами, аполипопротеин Е; аполипопротеин – это белок, переносящий липиды, то есть жиры). Наличие ApoE4 повышает шансы развития болезни Альцгеймера на 30–50 %. Большинство носителей гена узнают об этом обстоятельстве уже после появления первых симптомов, которые вынуждают их пройти генетический тест. Поскольку на современном этапе развития медицины болезнь Альцгеймера нельзя предупредить и вылечить, Джеймса Уотсона можно понять: зачем лишний раз расстраиваться, если ничего нельзя изменить? Лучше уж просто ничего не знать о своей проблеме!

В 2015 году Джеймс Уотсон приехал в Россию, и этот визит стал значимым событием не только для отечественной научной общественности, но и для самого ученого. Дело в том, что в 2014 году Джеймс Уотсон продал нобелевскую медаль, а деньги пожертвовал на нужды своего университета. На аукционе награду выкупил российский бизнесмен Алишер Усманов, а во время посещения Уотсоном Российской академии наук вернул ее ученому. Уотсон был очень тронут этим щедрым жестом.

Развитие молекулярной биологии, вирусологии, генетики, биоинформатики и еще нескольких десятков дисциплин стало возможным и получило бурное развитие благодаря открытию, сделанному Франклин, Уилкинсом, Уотсоном и Криком в далеком 1953 году. На принципах, заложенных этими учеными, базируются около половины научных достижений, описанных в этой книге. Вероятно, принципы эти послужат основой еще для многих нобелевских открытий в будущем.

В истории Нобелевской премии по физиологии или медицине почти нет примеров, когда за короткий промежуток времени премия присуждалась бы за одно и то же направление медицины несколько раз. Отбирая номинантов, Нобелевский комитет рассматривает множество открытий и исследований. Он старается уделить внимание всем медицинским специальностям и не забывает при этом о физиологии. Исключением стала молекулярная биология. За десятилетие, начавшееся в 1958 году, в этой области было получено целых пять премий. Самой важной из них стала, пожалуй, премия, врученная в 1968 году Роберту Холли, Хару Корану и Маршаллу Ниренбергу за «расшифровку генетического кода и его функции в синтезе белков».

Но история расшифровки кода началась за 100 лет до этого, когда молодой врач из Швейцарии Фридрих Мишер выделил из ядра клетки новый тип соединения, которое он назвал нуклеином. Сегодня этот тип соединения известен под названием «нуклеиновая кислота». А еще двумя годами ранее австрийский биолог Грегор Мендель закончил серию простых экспериментов с садовым горохом. Эти эксперименты показали, что «элементы», в настоящее время называемые генами, отвечают за наследование организмом физических признаков, например, таких как окраска цветков у растений. Фридрих Мишер и Грегор Мендель положили начало генетике как науке. Их открытия первоначально, казалось бы, имевшие мало общего, стали первыми кусочками пазла, который через столетие сложился в полную картину генетического кода, названного в нобелевской лекции Роберта Холли «кодом жизни».

Что же такое генетический код и почему он называется кодом жизни?

Белки́ – это очень сложные молекулы, но их структура имеет определенные закономерности. Белки построены из ограниченного количества небольших строительных блоков – аминокислот. Сначала их разнообразие оценивали от 21 до 23. Если сравнить многообразие белков с языком, то можно представить аминокислоты в виде букв алфавита. Так язык аминокислот в клетке описывает наши наследуемые качества.

Существует два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). В 1950-х годах было установлено, что генетическая информация передается от ДНК к РНК, а далее специальные молекулярные комплексы считывают с РНК информацию и синтезируют белок. В 1953 году Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон определили химическую структуру молекулы ДНК, показав, что она имеет форму двойной спирали и очень похожа на винтовую лестницу. Одна последовательность из трех нуклеотидов в ДНК соответствует определенной аминокислоте в белке.

Продолжая нашу аналогию, можно сказать, что в клетках помимо языка аминокислот существует и язык нуклеиновых кислот. Одна клетка содержит много тысяч белков, которые осуществляют все химические реакции, необходимые для нормального функционирования живого организма. Синтез каждого белка задан нуклеиновой кислотой. Кареглазый ребенок получил от своих родителей нуклеиновые кислоты, которые «отрегулировали» образование белков, необходимых для синтеза темного пигмента радужной оболочки глаза. Генетический код – это нуклеиново-белковый разговорник, позволяющий осуществлять перевод с одного языка на другой. Но как его составить?

Для решения этой задачи Маршалл Ниренберг воспроизвел в пробирке экспериментальную систему, которая использовала нуклеиновую кислоту в качестве шаблона для сборки белка. Но сначала он синтезировал полиурацил – молекулу РНК, которая содержит только одно основание, а именно – урацил. Затем ученый поместил эту молекулу в свою бесклеточную экспериментальную систему, состоящую из смеси аминокислот, РНК, рибосом (комплексов, производящих белок), необходимых ферментов и других веществ, полученных в результате деликатного размельчения бактерий. В результате полиурациловая РНК направила синтез молекулы белка, состоявшего из цепочки молекул аминокислоты фенилаланина. Следовательно, код для фенилаланина представлял собой триплет урацил-урацил-урацил, или УУУ. Поскольку ДНК содержит четыре азотистых основания, а генетический код образуется из триплетов азотистых оснований, то существует 64 возможные триплетные комбинации для ДНК. Далее Маршалл Ниренберг, Роберт Холли и Хар Коран (ему принадлежит главная заслуга в этом деле) повторили эксперименты в той же системе с каждой из триплетных комбинаций – и синтезировали все возможные триплетные последовательности. Таким образом были открыты коды триплетов азотистых оснований для всех 20 аминокислот. Правда, оказалось, что аминокислоты кодируются более, чем одним триплетом, а некоторые триплеты известны как «бессмысленные», потому что не кодируют ни одну аминокислоту, но их значение было определено позднее.