З чого зроблені гени мікрокосм

З чого зроблені гени?

У танці - злиття E. coli і її вірусів прихильники «Церкви фагів» зуміли відшукати ключі до деяких великим загадок життя. А для них не було питання більш великого, як питання про те, з чого зроблені гени.

До 1950-х рр. більшість вчених схилялася до думки, що гени складаються з білків. Прямих доказів одержати не вдавалося, але серйозних непрямих свідчень було чимало. Уже тоді стало зрозуміло, що гени є у всіх живих організмів, навіть у бактерій і вірусів. Білки не менше всюдисущі. При вивченні плодових мушок вчені визначили, що їхні гени розташовуються в хромосомах; а хромосоми містять білки. Було ясно, що молекули в генах повинні бути складними - адже в генах якимось невідомим чином зашифрована інформація про життя в усіх його проявах. При цьому вчені знали, що структура білка часто буває вельми хитромудрою. Залишалося тільки з'ясувати, як саме білки виконують функції генів.

Перший серйозний виклик цієї загальної, хоча і не дуже певної, позиції з'явився в 1944 р коли один лікар привселюдно заявив, що гени насправді складаються з білка. Освальд Ейвері, який працював в лікарні Інституту Рокфеллера, займався дослідженням бактерії Pneumococcus. У цій бактерії існує як нешкідлива форма, так і хвороботворна, що викликає пневмонію. Більш ранні експерименти дали підстави вважати, що саме гени відповідають за різну поведінку цих штамів. Якщо вчені вбивали небезпечний штам, а потім вводили убиті бактерії мишам, то миші не захворіють. Але якщо убиті бактерії небезпечного штаму змішували з живими бактеріями нешкідливого штаму Pneumococcus, то ін'єкція такої суміші вбивала мишей. Нешкідливий штам якимось чином перетворювався в хвороботворний, і їх нащадки також зберігали патогенність. Іншими словами, генетичний матеріал переходив з вбитих бактерій патогенного штаму до живих бактерій.

Ейвері і його колеги стали виділяти з убитих бактерій одне хімічна сполука за іншим і додавати їх в чашки з непатогенних штамами бактерій. Вони виявили, що цікавить їх перетворення забезпечує тільки одна речовина. І це був не білок, а з'єднання під назвою дезоксирибонуклеїнової кислоти, або скорочено ДНК.

Про існування ДНК вчені знали вже кілька десятиліть, але не уявляли собі, навіщо вона потрібна. У 1869 р швейцарський біохімік Йоганн Мішер виявив в гної на пов'язках поранених солдатів багате фосфором речовину, яка отримала назву нуклеїнової кислоти. Пізніше вчені з'ясували, що існує дві майже ідентичні нуклеїнові кислоти: дезоксирибонуклеїнова і рибонуклеїнова (РНК). Каркас ДНК складається із залишків фосфорної кислоти, з'єднаних із залишками цукру дезоксирибози. До нього прикріплюються чотири типи багатих вуглецем і азотом сполук - так звані азотисті основи.

Було ясно, що ДНК грає в живому організмі важливу роль - адже вчені знаходили її практично в будь-яких клітинах. Її виявляли навіть у хромосомах, де, як уже було відомо, розташовувалися гени. Але багато дослідників вважали, що ДНК просто забезпечує хромосомі жорстку основу, каркас - можливо, вона обвивається навколо генів, як манжета. Мало хто думав, що ДНК має досить складну структуру, щоб бути матеріальним носієм генів. ДНК, як висловився одного разу Дельбрюк, «таке дурне речовина!»

Дурне чи ні, але Ейвері зробив висновок: ДНК - саме те, з чого складаються гени. Але його експерименти не змогли переконати закоренілих скептиків:

Вірус вводить свою ДНК в клітину E. coli

колеги вирішили, що ДНК у нього була недостатньо добре очищена і, можливо, містила домішки якихось білків.

Щоб відновити репутацію ДНК, треба було ще ціле десятиліття досліджень на E. coli і її віруси. Поки Ейвері досліджував пневмокок в пошуках генів, адепти дельбрюковой «Церкви фагів» намагалися побачити віруси E. coli. Треба сказати, що віруси в поданні вчених були вже не математичними абстракціями, а цілком матеріальними маленькими істотами. За допомогою недавно винайденого приладу - електронного мікроскопа - Дельбрюк і його колеги виявили, що бактеріофаги укладені в оболонку елегантною геометричної форми. Закріпившись на поверхні E. coli, фаг проколював клітинну стінку бактерії за допомогою спеціальної білкової голки і вводив в свого нового господаря якусь субстанцію. Гени вірусу проникали в клітку E. coli, а порожня оболонка залишалася на її поверхні.

Потім Херші і Чейз провели зворотний експеримент, в якому радіоактивні мітки вводилися в ДНК, а в білок вірусу. У цьому випадку після інфікування E. coli радіоактивність зберігали тільки порожні оболонки. Так через десять років після експерименту Ейвері Херші і Чейз підтвердили його висновок: гени складаються з ДНК.

Серед тих, кого більше інших зацікавили нові результати, був молодий американський біолог Джеймс Уотсон. Його прийняли в лоно «Церкви фагів» у віці всього лише 20 років, і при підготовці дисертації він, як і його колеги, з ентузіазмом опромінював віруси E. coli рентгенівським випромінюванням. Він чудово засвоїв загальноприйняту думку про те, що гени зроблені з білків, але власні дослідження змусили молодого вченого звернути увагу на ДНК. В експерименті Херші і Чейз Уотсон побачив «нове переконливий доказ того, що первинним генетичним матеріалом є ДНК».

Модель була красива, проста і красномовна. Вона, здавалося, сама готова була розповісти, як працюють гени. Обидві нитки ДНК побудовані з мільярдів ланок - нуклеотидів, розташованих лінійно, як букви в рядку тексту. Кожен нуклеотид складається з фосфату і цукру дезоксирибози, до якого кріпиться одне з азотистих основ. Чотирьох типів азотистих основ відповідає чотири типи нуклеотидів. Сам текст може мати нескінченне число значень в залежності від порядку розташування нуклеотидів. Завдяки цьому ДНК може вмістити інформацію, необхідну для будівництва будь-якого білка будь-якого біологічного виду.

Структура ДНК допомогла Уотсоном і Криком зрозуміти, яким чином вона може репродукуватися. Вони припустили, що нитки ДНК розходяться, після чого до кожної з них додається нова нитка - цей процес отримав назву «реплікація». Синтез нової ДНК спрощує той факт, що азотисті основи здатні з'єднуватися між собою лише цілком певним чином: у кожного типу підстав є один - єдиний можливий партнер. В результаті виходить ідеальна копія початкової молекули.

Теорія вийшла гарна, а ось серйозних доказів не вистачало. Макса Дельбрюка, зокрема, турбувала «проблема розплутування». Чи реально розділити подвійну спіраль на дві окремі нитки і добудувати кожну з них до повноцінної молекули ДНК, не отримавши взамін сплутаний клубок незрозуміло чого? Дельбрюк спробував знайти відповідь на це питання, але зазнав невдачі. Успіх прийшов в 1957 р до інших - до магістрантові Метью Мезельсоном і науковому співробітнику доктору Френку став з Каліфорнійського технологічного інституту. За допомогою E. coli вони поставили експеримент, який здобув популярність як найкрасивіший в біології.

Мезельсон і Сталь зрозуміли, що реплікацію ДНК можна відстежити, якщо вирощувати E. coli на особливій дієті. E. coli для зростання і розмноження обов'язково потрібен азот, оскільки цей елемент входить до складу будь-якого нуклеотиду. Звичайний атом азоту містить 14 протонів і 14 нейтронів, але існують і інші, більш легкі або більш важкі ізотопи азоту, в яких нейтронів менше або більше. Мезельсон і Сталь додавали в живильне середовище E. coli аміак, який містить важкий азот з 15 нейтронами в кожному атомі. Через деякий час, коли у бактерії змінилася безліч поколінь, вони витягли і помістили в центрифугу трохи ДНК. Вимірявши відстань до точки, куди перемістилася ДНК при обертанні центрифуги, вони вирахували її масу і з'ясували, що ДНК Е, coli, вирощеної на важкому азоті, як і очікувалося, важче ДНК нормальної E. coli.

Потім Мезельсон і Сталь провели той же експеримент трохи інакше. Вони відокремили трохи E. coli з важким азотом в колбу, де бактерії могли харчуватися нормальним азотом з 14 нейтронами в атомі. Давши бактерії зовсім небагато часу - всього на один цикл ділення, - вчені витягли її ДНК і знову помістили в центрифугу. Їх метою була перевірка теорії Уотсона і Крика, яка давала на цей випадок цілком чіткі прогнози. Відповідно до цієї теорії при розподілі мікроорганізмів усередині кожного з них важкі нитки ДНК повинні були розділитися і розійтися, а нові нитки добудовувалися б до них вже з легких атомів. Таким чином, ДНК в новому поколінні E. coli повинна була вийти наполовину легкої, наполовину важкої - і утворити при центрифугуванні смугу рівно посередині між важкою і легкою ДНК. Так і вийшло.

Може бути, Уотсон і Крик побудували красиву модель. Але для того, щоб інші вчені визнали їх теорію вірною і прийняли модель на озброєння, потрібен був красивий експеримент на E. coli.