Анатолий Томилин - Хочу всё знать [1970]

В те годы в Берлине формируется кружок молодых физиков-экспериментаторов, которые считали, что новая, квантовая физика должна прийти на помощь биологии, чтобы найти правильное материалистическое объяснение явлений наследственности. Бурные собрания этого кружка, на которых велись нескончаемые споры, посещал и Макс Дельбрюк, только что окончивший физический факультет Геттингенского университета.

В 1937 году произошло первое знакомство Дельбрюка с фагами в стенах Калифорнийского технологического института. С первого взгляда он понял, какими неоценимыми преимуществами обладают эти вирусы для изучения механизма биологического самовоспроизведения. Все модели, на которых до этого изучались генетические закономерности, были слишком сложными.

Дельбрюк, со свойственным ему физико-математическим мышлением, искал «единицу» наследственности, поддающуюся измерению и учёту. Он нашёл такую «единицу» в лице фага.

Ему были известны работы венгерского химика М. Шлезингера, который впервые выяснил химический состав фагов и обнаружил, что фаги удивительно напоминают хромосомы — носителей наследственной информации любых живых клеток. Они не содержат ничего «лишнего», только нуклеиновую кислоту (ДНК) и белок. Чем не единица наследственности, к тому же живая, активно самовоспроизводящаяся и «в чистом виде»!

Возможность точного количественного учёта инфекционных частиц фага, то есть частиц, способных атаковать бактерий, была показана ещё самим Д'Эррелем. Дельбрюк установил, что каждая отдельно взятая бактериальная клетка, заражённая фагом, через полчаса высвобождает несколько сотен его потомков, а сама разрушается. Тогда перед исследователями во весь рост встал основной вопрос: каким образом родительскому фагу удаётся стократно воспроизвестись внутри заражённой бактериальной клетки за какие-нибудь полчаса?

Ответ на этот вопрос должен был приоткрыть завесу над наиболее таинственными механизмами наследственности, характерными для всех живых организмов.

Фаг стал моделью, орудием для изучения основ наследственности в руках физиков, биологов и биохимиков из группы, которую возглавил Дельбрюк, покинувший Германию и обосновавшийся в США после прихода Гитлера к власти. В течение десяти лет эта группа заложила фундамент совершенно новой области знаний, которая получила название молекулярной биологии.

Многое из того, что мы знаем о молекулярных основах наследственности, так или иначе связано с исследованиями, проведёнными на фагах.

Не кто иной, как фаги позволили получить совершенно конкретное представление о материальном носителе наследственности.

Наблюдая за процессами деления сложно устроенных, нафаршированных различными химическими веществами клеток, трудно установить, какие из этих веществ ответственны за передачу потомству родительских свойств.

Разобравшись в том, каким образом бактериофаг, состоящий только из белка и нуклеиновой кислоты, умудряется внутри клетки хозяина воспроизвести сотни себе подобных, можно скорее решить вопрос о материальном носителе наследственности. Этот вопрос и был решён с помощью фагов.

Оказалось, что белок фага даже не попадает внутрь клетки хозяина. Из белка построен защитный футляр, окружающий нуклеиновую кислоту, и хвостовой отросток. Хвостом бактериофаг цепляется за поверхность бактериальной клетки. Хвост этот можно сравнить с хоботом слона, так как он полый внутри и может активно сокращаться. Разумеется, это хобот субмикроскопических размеров.

Укрепившись на бактериальной стенке, фаг проделывает кончиком всё того же хвоста микроотверстие, через которое внутрь клетки при активном сокращении хвостового отростка — хобота — впрыскивается нуклеиновая кислота фага. Белковый футляр, сделавший своё дело, остаётся снаружи и в размножении фага не участвует, предоставляя всё дальнейшее одной только нуклеиновой кислоте фага.

Фаговая нуклеиновая кислота оказывается внутри клетки в положении десанта, заброшенного в тылы противника. Времени терять нельзя, и ДНК ведёт себя очень активно. Обладая способностью к самоудвоению, она быстро накапливается в клетке. Одновременно она захватывает все командные высоты в клетке, блокируя нуклеиновую кислоту самой клетки. Клетка оказывается обезглавленной. Из центра на периферию больше не поступает обычных для клетки приказов. Вместо этого фаговая ДНК спешит навязать исполнительным органам клетки свою программу, заставить их работать на себя, строить фаговые белки вместо клеточных. Дезорганизация в стане противника, спровоцированная десантом ДНК, приводит к желательным для фага и губительным для клетки результатам. За какие-нибудь полчаса уже всё готово. Готовые молекулы ДНК закутываются в готовые белковые оболочки, им становится тесно внутри бактерии, клетка лопается, и сотни новорожденных фагов выходят наружу, готовые продолжать дело своих предков. Всё это сделала одна молекула ДНК!

Чем объясняется могущество этой молекулы? Каков язык, на котором ДНК отдаёт свои приказы?

Овладеть языком макромолекул — вот к чему стремятся исследователи. Дело это не лёгкое, пожалуй, даже посложнее, чем расшифровка древнейшей клинописи. Но ключ найден, и тайна постепенно отступает. Этим ключом оказались так называемые мутанты, то есть своеобразные уродцы в семье фагов. Всякий мутант отличается от своих нормальных собратьев каким-то новым свойством или, наоборот, потерей какого-то свойства. Молекулу ДНК мутантного фага подвергают всестороннему химическому анализу, чтобы определить, какое именно звено в цепочке изменено. Ведь именно в этом изменённом звене должна быть записана информация о новом свойстве мутантного фага.

Например, у мутантного фага, который утратил способность прикрепляться к бактериальной клетке, удаётся обнаружить дефект в структуре ДНК: не хватает определённого звена в цепочке. Значит, именно в этом звене была записана программа построения белков фага, ответственных за прикрепление к бактерии. Дефектная ДНК не могла отдать вовремя нужного приказа, и из клетки вышел неполноценный мутантный фаг.

В коллекциях учёных всё больше накапливается таких мутантных фагов, «захромавших на одну ногу», всё больше устанавливается связей, пополняется словарь языка макромолекул.

Другой, не менее сложной проблемой генетики является проблема генетического обмена, в результате которого две особи с разными свойствами дают начало потомству, несущему в себе черты обоих родителей. Вопрос о том, почему один из двух братьев похож на папу, а другой на маму, тоже решается при участии фагов.

Фаги дают исследователю возможность проследить за скрещиванием не организмов и не клеток, а изолированных молекул ДНК. Представьте, что в одну и ту же бактериальную клетку впрыснуты двумя разными фагами две разные молекулы ДНК. Каждая из них немедленно принимается за дело, то есть две цепочки, из которых она состоит, расходятся, и на обеих половинках образуются похожие как зеркальное отражение цепочки. Вскоре молекулам ДНК становится тесно внутри бактериальной клетки. В такой тесноте не мудрено и перепутаться. Какая-то из вновь образующихся цепочек начала «отпечатываться» с одной родительской цепочки, а потом ей «подвернулась» другая родительская цепочка. Вот и получается гибридная молекула ДНК, а после растворения, распада клетки из неё выходит часть фагов, которые похожи на оба родительских фага и в то же время отличаются от каждого из них. Почти как у людей, не правда ли?

Список заслуг бактериофагов перед наукой и человечеством растёт.

Бактериофаги являются прекрасной молекулярной моделью не только для генетиков, но и для исследования таких проблем, как паразитизм.

Бактериофагов приходится причислить к паразитам. Для бактерий — это антимир, как для нас — вирусы оспы или бешенства. Познать законы паразитизма фагов на бактериях — это значит ближе познакомиться с повадками своих собственных паразитов.

Бактериофаги помогли биологам понять самую суть той трагедии, которая разыгрывается в поражённой клетке хозяина. Долгое время действие её развёртывалось как бы за закрытым занавесом. Учёные даже  придумали таинственное название «эклипс-фаза» для того периода, когда вирус, проникший в клетку, как бы исчезает в ней до того момента, когда новое поколение вирусных частиц выходит из клетки. На вид (даже если смотреть под электронным микроскопом) в клетке ровным счётом ничего не происходит.

А на самом деле в клетке уже хозяйничает вирусная ДНК, подавляя наследственные механизмы самой клетки, раздавая направо и налево свои приказы, распоряжаясь всеми запасами клетки по своему усмотрению. Зная последовательность этих событий, можно попытаться вовремя вмешаться: помешать вирусу, помочь клетке. Для этого используют различные химические лечебные препараты.