Дмитрий Складнев - Что может биотехнология?

Оказавшись в Америке, он занимался теоретической физикой. Однако наслушавшись разговоров о генах, ДНК, узнав, что она содержит — как и карты — всего четыре «масти», он решил разложить пасьянс с целью понять устройство генетического кода. Гамову сразу стало ясно, что код не может быть «двоичным», то есть одну аминокислоту должны кодировать не двойка нуклеотидов-«букв», а тройка. Почему не две, а три?

Это станет ясно, если учесть тот факт, что в состав белков входят 20 аминокислот. Сочетание из 4 по 2 дает всего 16 комбинаций, что недостаточно для кодирования всех аминокислот. Следовательно, заключил Гамов, код должен быть трехбуквенным, то есть каждую аминокислоту должна кодировать тройка «букв» в любых сочетаниях.

Но число сочетаний из 4 по 3 равно 64, а аминокислот всего 20. Зачем же такая избыточность? Такой избыточности, конечно, не нужно, но что делать, если двух букв для всех аминокислот не хватает. Приходится мириться. На том пока и остановились.

Однако проблема кода не давала покоя Дж. Уотсону. На следующий год после своего триумфа он попытался сопоставить форму аминокислот и нуклеотидов ДНК. Из этого ничего не вышло: «кубики» из разных наборов не состыковывались. Через год Ф. Крик, видя неудачу Уотсона, предположил, что между ДНК и белком должен быть, некий «адаптер», приспособление, которое с одной стороны подходит к ДНК, а с другой к аминокислоте. Так впервые возник вопрос об особом классе кислот рибонуклеиновых — (РНК), которые были открыты в 1957 г. англичанином М. Хоглэндом. Эти РНК получили название «транспортных», или т-РНК.

Переломным в решении проблемы генетического кода явился 1961 г. За год до этого в Кембридж к Ф. Крику и С. Бреннеру приехал в гости на Пасху Ф. Жакоб из парижского института Пастера. Он рассказал об идее его сотрудника Ж. Моно и которую поддержал их шеф А. Львов. Она касалась существования в клетке короткоживущей РНК, переносящей команды от ДНК к рибосомам, клеточкам-тельцам, с помощью которых синтезируется белок. На следующий год эта РНК, получившая название информационной (и-РНК) была открыта в лаборатории М. Дельбрюка в Калифорнийском технологическом институте и одновременно У. Гилбертом в лаборатории Уотсона в Гарварде.

После всех этих открытий выстроилась очень красивая и ясная схема синтеза белка в клетке. ДНК при этом является носителем генетической информации, кодируя правильный порядок аминокислот в белковой цепи. Информация эта к месту синтеза белка передается в виде копии и-РНК, поступающей в рибосому, которая после синтеза белка разрушается (почему и является короткоживущей). К рибосоме также поступают т-РНК с аминокислотами на «хвосте», в результате чего и синтезируется белковая молекула.

Но на этом события 1961 г. не закончились. В мае в Москве на Международном биохимическом конгрессе выступил М. Ниренберг, которому впервые удалось прочитать первые три буквы генетического кода: ААА для аминокислоты фенилаланина! Как это было сделано? А довольно просто. Ниренберг поместил в пробирку синтетическую нуклеиновую кислоту (к тому времени А. Корнберг из Станфордского университета уже успел получить Нобелевскую премию (1959 г.) за синтез нуклеиновых кислот в пробирке), содержащую многократно повторенный один-единственный нуклеотид. И рибосомы начали синтезировать «белок», состоящий из одной аминокислоты («один ген — один фермент»). Принцип расшифровки генетического кода прояснился. Через три года Крик закончил решение этой задачи!

В это же время американский ученый Х. Г. Корана сумел химическим способом синтезировать первый работающий ген, а американец Р. Холи «прочитал» первый ген одной из т-РНК. Все они были удостоены Нобелевской премии по медицине в 1968 году. На следующий год после них премией были награждены М. Дельбрюк, С. Луриа и А. Херши.

Так, можно сказать, закончилась эпопея «статьи тройки». Жаль только, что на этом празднике науки забыли о К. Циммере и Н. В. Тимофееве-Ресовском, получившим воркутинский лагерь и «шарашку» на Урале.

Но вернемся к проблеме генетического кода и структуры гена и его работы. В 1965 г. Нобелевскую премию по медицине получили Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Львов, которые доказали, что ген большую часть времени «закрыт» для считывания — находится в неактивном состоянии. Они обнаружили в нем регуляторную и структурную части. Первая «включает» и «выключает» ген, а вторая ответственна за кодирование структуры белка.

После расшифровки генетического кода выяснилось, что синтез белка начинается всегда с одной и той же аминокислоты, которая затем «отстригается», являясь как бы сигналом к началу синтеза белка. Кроме того были также обнаружены две тройки нуклеотидов, или «букв», которые не кодировали никаких аминокислот.

Если такие бессмысленные тройки помещали в середину структурной части гена, то синтез белка останавливался. Ту или иную «стоп»-тройку всегда находили в конце структурной части гена.

В своей лекции в Стокгольме Х. Г. Корана сказал в 1968 г.: «Теперь нам нужно научиться встраивать и вырезать гены. И когда — в далеком будущем, — это станет возможно, возникнет соблазн коренным образом изменить всю нашу биологию».

Эти слова очень созвучны словам Крика, который ворвался в конце марта 1953 г. в кембриджский паб: «Мы открыли секрет жизни!». Уотсон был сдержаннее, но все равно «собрался переписать всю Библию, обратившись к истокам жизни на Земле, чтобы узнать, что из этого выйдет».

Биология решила две величайшие загадки жизни. Она узнала, из чего состоят наши гены и как они работают, прочитав язык, на котором говорит вся жизнь. Биология поняла, что код жизни уникален и универсален.

Биология получила в свое распоряжение кольцо царя Соломона, с помощью которого можно теперь говорить с любым живым существом. И Корана наметил путь дальнейшего развития науки о жизни — «научиться встраивать и вырезать гены». Он считал, что это «станет возможно в далеком будущем».

Но похоже, что никто не собирался долго ждать этого будущего. Его решили делать сегодня.

Рис 2. Схема транспорта белка в клетке

а) Двухцепочная спираль ДНК

б) Одноцепочная спираль РНК

в) Транспортные РНК с молекулами аминокислот на «хвосте»

г) Рибосома, на которой происходит синтез белка из аминокислот

д) Синтезированная белковая цепь

Летом 1973 г. Р. Поллак, сотрудник Дж. Уотсона, который к тому времени уже возглавлял лабораторию в Колд-Спринг-Харборе, позвонил Полу Бергу в Станфордский университет, что неподалеку от Сан-Франциско в Калифорнии. Незадолго до этого звонка Поллак узнал, что Берг разрабатывает планы введения генов ракового вируса СВ-40 в кишечную палочку с помощью ее плазмиды. В ходе эксперимента планировалось клонировать раковые гены. Это было необходимо для того, чтобы иметь возможность изучать эти гены с помощью методов молекулярной биологии.