Лайнус Карл Полинг : Как жить долго и быть здоровым (стр. 3 из 7)
Материальный носитель
До начала 40-х годов главными "кандидатами" на роль материальных структур наследственности считались белки, макромолекулы большой молекулярной массы, состоящие из ограниченного разнообразия мономеров - аминокислот. Мономеры связаны между собой стандартными пептидными связями, а все разнообразие белков определяется составом и порядком боковых радикалов.
Сопоставимые данные для нуклеиновых кислот получили значительно позже, и это было связано с некоторыми драматическими обстоятельствами. Ключевую и противоречивую роль в выявлении мономеров, связей между ними, а также в формировании общих представлений о роли нуклеиновых кислот сыграл американский биохимик русского происхождения Ф.А.Левин.
В то же время Левин - автор так называемой "тетрануклеотидной гипотезы", основанной на ранних и достаточно неточных данных о молярных концентрациях оснований в нуклеиновых кислотах. В 1908 - 1909 гг. он и сотрудники показали, что нуклеиновые кислоты из тимуса теленка и дрожжей имеют равные молярные концентрации всех четырех нуклеотидов. Это дало основание предположить, что четыре разных нуклеотида связаны последовательно в стандартный тетрануклеотид, который многократно повторяется в структуре нуклеиновой кислоты. В более поздних вариантах гипотеза допускала высокую полимерность нуклеиновых кислот путем повторения тетрануклеотида, но, очевидно, исключала возможную комбинаторику нуклеотидов.
Таким образом, "стандартный тетрануклеотидный кирпич" (М ~ 1500) позволял строить только унылую, однообразную последовательность. В этом случае нуклеиновые кислоты не годились на роль материальной структуры генов. Однако большинство выдающихся биохимиков приняло эту гипотезу на веру, что надолго задержало развитие молекулярных представлений о генах.
Но в 40-е годы Э.Чаргафф и многие другие исследователи подвергли тетрануклеотидную гипотезу уничтожающей критике, а ее автор оказался "козлом отпущения" за свое заблуждение. По мнению историков науки Ф.Португала и Дж.Коэна, именно тетрануклеотидная гипотеза помешала Левину получить Нобелевскую премию за другие работы, которой он несомненно заслуживал. Умер Левин в 1940 г., когда уже началась война, и вопросы чистой науки оказались за пределами внимания большинства ученых.
Тем не менее к началу 40-х годов уже было ясно, что нуклеиновые кислоты (нынешние ДНК и РНК) могут быть высоко полимерны (М ~ 500 тыс. - 1 млн). В конце 40-х годов Чаргафф показал, что ДНК разного видового происхождения имеют разный состав нуклеотидов, а общая их эквимолярность не выполняется. Использовав новый метод хроматографии на бумаге, Чаргафф обнаружил, что между молярными концентрациями пуринов и пиримидинов имеются другие регулярные соотношения: A=T и G=C. И хотя он не объяснил эти свойства, стало совершенно ясно, что мономеры нуклеиновых кислот - не тетрануклеотиды, а четыре стандартных нуклеотида, у которых одинаковая сахаро-фосфатная часть, участвующая в образовании стандартных фосфо-диэфирных связей, и различные основания. Их комбинаторика и допускает огромное разнообразие вариантов.
Тем не менее, даже с учетом этих свойств, генетическую роль ДНК еще предстояло доказать. Это сделал в 1944 г. О.Эвери с сотрудниками. Еще в 1928 г. английский врач-инфекционист Ф.Гриффитс обнаружил, что пневмококки одного штамма (невирулентные) приобретают наследуемую вирулентность при контакте с лизатом инфекционных бактерий, убитых нагреванием (явление трансформации). Свыше 10 лет Эвери и сотрудники отрабатывали методы фракционирования лизата бактерий пока, наконец, не выделили активную фракцию, по физико-химическим свойствам совпадающую с ДНК. С одной стороны, это была сенсация, опровергавшая тетрануклеотидную гипотезу (ДНК обладала генетическими свойствами), с другой - интерпретация такой трансформации не была однозначной. ДНК могла быть либо генетическим материалом, который рекомбинирует с гомологичным геномом бактерии-реципиента, либо мутагеном, вызывающим мутации генов (тогда природа генов может быть другой), либо специфическим сигналом, переключающим функциональное состояние гена (этот вариант выявился позже). Дж.Ледерберг насчитал семь альтернативных гипотез о природе трансформации. Многие генетики не поняли фундаментального значения работы Эвери. Например, выдающийся цитолог А.Мирский, работавший в том же Рокфеллеровском институте, резко возражал против доказательств трансформирующей роли ДНК.
Тем не менее, значительная группа биохимиков, генетиков и физиков сосредоточилась на изучении химии, генетической роли и молекулярного строения ДНК. Дискуссии прекратились только после 1952 г., когда А.Херши и М.Чейз показали, что при заражении бактерии E.coli фагом T2 инфекционным началом является почти чистая ДНК фага 2. Эвери умер в 1955 г., не дождавшись своей Нобелевской премии, которой, несомненно, был достоин. В 1939 - 1940 гг. близкое открытие сделал С.М.Гершензон в Киеве, показав, что введение или скармливание дрозофиле чужеродной ДНК вызывает вспышку мутаций признаков крыла.
Двойная спираль ДНК
Следующее "одиночное касание", высекшее "искру гения", состоялось в английском Кембридже между двумя очень непохожими людьми. Осенью 1951 г. туда приехал Дж.Уотсон, только что защитивший докторскую диссертацию у С.Лурии в Университете штата Индиана (США). Он был членом "фаговой группы" М.Дельбрюка и находился под влиянием этой легендарной личности, а также книги Э.Шредингера "Что такое жизнь". Его "интерес к ДНК вырос из возникшего в колледже на последнем курсе желания узнать, что же такое ген".
Формально Уотсон получил стипендию для изучения методов рентгеноструктурного анализа белков в группе М.Перуца в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Тогда в этой группе физик Ф.Крик работал над теорией дифракции рентгеновских лучей. Во время войны он занимался оборонными исследованиями в Военно-морском ведомстве. В 1946 г. под впечатлением книги Э.Шредингера и лекции Л.Полинга он решил заняться приложением физики в биологии.
Итак, Уотсон и Крик оказались в одной комнате. Позже Уотсон вспоминал: "После разговоров с Френсисом моя судьба была решена. Мы быстро поняли, что в биологии мы намереваемся идти одинаковым путем. Центральной проблемой биологии были ген и контролируемый им метаболизм. Главной задачей было понять репликацию гена и путь, которым гены контролируют синтез белков. Было очевидно, что приступить к решению этих проблем можно лишь после того, как станет ясной структура гена. А это значило выяснение структуры ДНК".
"В лаборатории Макса Перуца. нашелся человек, который знал, что ДНК важнее, чем белки, - это было настоящей удачей.
Вот как Ф.Португал и Дж.Коэн характеризуют этот научный тандем:
"Контраст между Уотсоном и Криком мог показаться очень большим. Крику во время их встречи в 1951 г. было 35 лет, и он еще не имел докторской степени. Уотсону было 23 года, он получил свою докторскую степень необычно рано - в 22 года и был приглашен в члены фаговой группы. Крик был крупным и гениальным, Уотсон - тощим и угловатым. Но они имели много общего. Оба были одиночками, которые, тем не менее, не скрывали своих веских идей по многим вопросам. Оба имели выраженный интерес к открытию строения генетического материала. Но там, где из разных подходов - рентгеноструктурного анализа и генетики фагов - возникала их комплементарность, такой синтез вел к существенным результатам. В этом важном отношении Уотсон выполнял роль моста между информационной и структурной школой в молекулярной биологии".
Чтобы понять причины успеха совместной работы Уотсона и Крика, надо учесть некоторые обстоятельства.
Во-первых, поблизости от Кембриджа, в Лондонском Кингс-Колледже, работали крупнейшие английские специалисты по рентгеноструктурному анализу ДНК, М.Уилкинс и Р.Франклин. Именно их экспериментальные данные Уотсон и Крик использовали для обоснования и проверки своей модели.
Во-вторых, существенную роль для молодых исследователей играл дух конкуренции с крупнейшим американским физико-химиком Лайнусом Полингом. В то время звезда Полинга достигла своего зенита: он был автором блестящей классической книги "Природа химической связи" (1939); вместе с Г.Кори теоретически, с помощью молекулярных стереомоделей, предсказали существование альфа-спиралей в глобулярных белках. С тех пор идея спирали как бы "висела в воздухе" применительно к любым макромолекулам. Вот мнение Дж.Уотсона: "Спирали в то время были в центре внимания лаборатории, главным образом из-за альфа-спирали Полинга". <...> Через несколько дней после моего (Уотсона. - В.Р.) приезда мы уже знали, что нам следует предпринять: пойти по пути Полинга и одержать над ним победу его же оружием". Но и Полинг активно обдумывал варианты молекулярных моделей ДНК.