Пол Фальковски - Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым
Освальд Эйвери, чрезвычайно скептически настроенный относительно экспериментов Гриффита, взялся их повторить. Потратив довольно много времени, он заключил, что Гриффит, который был весьма скрупулезным исследователем, оказался прав. Так что же произошло?
Для того чтобы идентифицировать агент трансформации, Эйвери и его коллеги культивировали бульон с мертвыми бактериями, изолированными из болезнетворного штамма, совместно с ферментами, которые могли переваривать белки. В то время большинство биохимиков считали, что именно белки являются носителями генетической информации, поскольку они были найдены в хромосомах эукариотических клеток и, будучи составлены из двадцати различных аминокислот, обладали достаточной вариативностью для объяснения наследуемости свойств; таким образом, логично было заключить, что эти молекулы несли в себе ключ к генетической информации. Эйвери и его сотрудники повторили эксперимент Гриффита, но с поправкой: когда они культивировали убитый теплом болезнетворный штамм бактерий вместе с ферментами, поглощавшими белки или РНК, и затем вводили раствор мышам, мыши погибали; однако если они добавляли фермент, поглощавший ДНК, мыши оставались живы. Эйвери сделал вывод, что именно ДНК передавала генетическую информацию от мертвого болезнетворного штамма безопасному штамму. Это было замечательным открытием, поскольку благодаря ему внимание научного мира было обращено на природу ДНК. Однако не менее примечательным был и тот факт, что Эйвери и его сотрудники практически не добились признания современников – и это еще мягко сказано. Их работа была почти проигнорирована. Представление о том, что белки являются носителями генетической информации, было настолько укоренившимся, что результаты Эйвери и его коллег сочли ошибкой в эксперименте. Это может служить примером когнитивного диссонанса в современном академическом мире. Многие биохимики решили, что трансформанты, полученные Эйвери и его сотрудниками, скорее всего, содержали следы белков.
И здесь на сцену выходит Джошуа Ледерберг, гениальный сын раввина, уроженец Нью-Джерси, выросший в нью-йоркском районе Вашингтон-Хайтс и проведший большую часть своей молодости в библиотеках. Приняв доклад Эйвери всерьез, Ледерберг решил отыскать действующий фактор трансформации и в своем поиске в буквальном смысле трансформировал биологию, открыв миру «магию» микробиологической трансформации. Вместе со своей женой Эстер он внедрял в бактерии частицы вирусов, содержащие генетическую информацию, – процесс, который мы сейчас называем трансдукцией, ставший фирменным знаком генной инженерии. В основе этого процесса лежит внедрение в бактерию кольцевого участка ДНК – Ледерберг назвал эти частицы плазмидами. Плазмида могла воспроизводиться внутри бактерии, но только вне ее хромосом. Она являлась чужеземным захватчиком, способным воспользоваться репликационной системой бактерии, чтобы реплицировать свою чужеродную молекулу внутри микроорганизма-хозяина. Ледерберг обнаружил, что плазмиды могут сделать бактерию-хозяина устойчивой к смерти от антибиотиков. С этим открытием Ледерберг стал пионером искусственного горизонтального переноса генов в лаборатории, что дало людям новый способ вмешиваться в эволюцию микроорганизмов. Ледерберг был удостоен Нобелевской премии в возрасте тридцати трех лет.
На основе работ Ледерберга и других ученых нынешние биологи могут намеренно внедрять гены практически в любой организм по своему выбору. В принципе, люди могли бы стать владыками биологической вселенной. Впоследствии за геномами организмов начнут охотиться, словно за дикими животными, ради собственной пользы – чтобы отыскать новое лекарство или ген, который сможет обеспечить долгую жизнь, сопротивляясь болезням или излечивая их. (Есть некоторая ирония в том, что Ледерберг умер в возрасте восьмидесяти двух лет от пневмонии – заболевания, возбуждаемого первым микроорганизмом, который он изучил, будучи студентом.) Однако для того чтобы конструировать организмы посредством трансформации, необходимо было понять, как именно ДНК кодирует определенные белки. Будучи генными инженерами, мы должны были выяснить, как природа создает гены.
История открытия структуры ДНК стала легендой, и оно поистине было легендарным. ДНК – это полимер, состоящий всего лишь из четырех повторяющихся циклических молекул – нуклеотидов, соединенных пятиуглеродным сахаром при помощи фосфатных связей и формирующих цепочку. Единственные вариации в пределах этой цепочки возможны в основаниях – и с учетом того, что их всего лишь четыре, ДНК может показаться не очень интересным соединением. Однако если Эйвери и Ледерберг были правы, то структура ДНК должна была открыть людям «магию». Тем не менее поначалу ничего подобного не случилось.
Знания о фундаментальной структуре молекулы ДНК основывались на одном-единственном дифракционном рентгеновском снимке, сделанном в 1952 году Розалиндой Франклин и Реймондом Гослингом из лондонского Королевского колледжа. В следующем, 1953 году, 25 апреля, уважаемый английский журнал Nature опубликовал серию последовательных статей. Первая из них, написанная Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном из Кембриджского университета, предлагала модель структуры ДНК, основанную на до той поры не опубликованных рентгеновских изображениях, сделанных Уилкинсом и Франклин. Вторая статья, написанная независимо, была от лаборатории Мориса Уилкинса в Лондонском королевском колледже – в ней вниманию читателей предлагалось грубое рентгеновское изображение этой молекулы. К третьей статье, написанной Франклин и Гослингом, прилагался более четкий дифракционный снимок, полученный ими самими. Во всех трех статьях делалось заключение о том, что молекула, вероятно, представляет собой спираль, но Уотсон, Крик и Уилкинс предположили также, что спираль может быть двойной. За открытие структуры ДНК Крик, Уотсон и Уилкинс в 1962 году разделили между собой Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году от рака яичников в возрасте тридцати семи лет, ввиду чего не смогла войти в число кандидатов на ее получение.
К тому времени стало очевидно, что молекула ДНК является ключом к наследованию информации. Каким-то образом она кодировала последовательность аминокислот в белках, но реконструкция на основе анализа рентгеновских дифракционных снимков оставляла совершенно не очевидным ответ на вопрос, как может структура ДНК содержать необходимую информацию для синтеза белков. В ДНК содержится всего лишь четыре различных нуклеотида. Как могут четыре нуклеотида кодировать информационную систему, приводящую к образованию белков, имеющих двадцать аминокислот в весьма определенных последовательностях?
Истолкование генетического кода было, возможно, еще более хитроумной задачей, нежели истолкование структуры ДНК. Вслед за работой Эйвери и его коллег и структурным анализом двойной спирали, проведенным Франклин, Гослингом, Уилкинсом, Уотсоном и Криком, быстро пришло понимание того, что если в ДНК содержится всего лишь четыре нуклеотида, а в белках – двадцать аминокислот, то каждую аминокислоту должен кодировать больше чем один нуклеотид. Нуклеотидов должно было быть самое меньшее три – такая логика основывалась на простых расчетах. Если бы нуклеотидов было только два, то все возможные комбинации давали бы 42 = 16 аминокислот, а этого далеко не достаточно. Если же, однако, взять три нуклеотида, то возможных комбинаций будет 43 = 64, и этого уже более чем достаточно. Используя метод внедрения и последующего удаления одиночного нуклеотида в вирус, заражавший E. coli, команда ученых под руководством Фрэнсиса Крика, включавшая в себя также известного борца с традициями Сиднея Бреннера, расшифровала генетический код этой бактерии. Они показали, что набор из трех нуклеотидов в очень специфической последовательности ДНК определяет конкретную аминокислоту. Их работа была в буквальном смысле расшифровкой кода, этого Розеттского камня, ради понимания механизма наследования жизни. Тем не менее возникли и некоторые затруднения.
Для большинства аминокислот более чем один набор из трех нуклеотидов, составляющих последовательность, кодирует одну и ту же аминокислоту. Зная последовательность ДНК, можно вывести аминокислотную последовательность белка, кодирующегося этим геном. Однако эта информация будет вырожденной, то есть мы не можем вывести точную последовательность ДНК, зная последовательность белков. Знание «слов» одного языка в мире ДНК определяет одно значение в аминокислотном мире белков. Но знание «слов» аминокислот белков не обеспечивает адекватного перевода на язык ДНК. Главная проблема понимания того, как функционируют все живые организмы, очевидно, заключалась в том, какие инструкции закодированы в ДНК. И эта проблема вела к новой технической задаче – секвенированию ДНК.
