Борис Медников - Дарвинизм в XX веке

Вернувшись на родину, в Базель, Мишер продолжил исследования на новом объекте — сперме рейнского лосося. По-видимому, он умел выбирать объекты — сперматозоиды почти на 50 % состоят из ДНК. Мишер быстро установил, что нуклеин — вещество сложное, нечто вроде соли, где роль щелочи играет белок — протамин, а кислоты — загадочное, богатое фосфором вещество. Догадываясь, что в проблеме наследственности нуклеин имеет первостепенное значение, швейцарский Колумб молекулярной биологии не успел этого доказать.

Но еще до смерти Мишера (1895) А. Коссель установил, что кислый компонент нуклеина содержит фосфорную кислоту, азотистые пуриновые и пиримидиновые основания и углеводы. Более широко известные углеводы — гексозы содержат 6 атомов углерода (глюкоза, фруктоза). Углеводы нуклеина оказались пятичленными — пентозами.

В 1891 году Э. Фишер и Пилоти выделили из всем известного клея — гуммиарабика — арабоновую кислоту, а из последней — новую, названную рибоновой. Из рибоновой кислоты и была выделена одна из первых пентоз — рибоза. Близкий по строению углевод, у которого по сравнению с рибозой не хватало одного атома кислорода, был назван дезоксирибозой (обескислороженной рибозой).

В дальнейшем все погубило пристрастие биохимиков к стандартным объектам. Нуклеиновые кислоты стали выделять из дрожжей (растительный материал) и зобной железы (тимуса) теленка (животный материал). Первую кислоту, по предварительным грубым анализам содержащую рибозу, окрестили растительной нуклеиновой кислотой, а вторую — с дезоксирибозой — животной, или тимонуклеиновой. Эти названия и продержались до 40-х годов нашего века.

За первые тридцать лет XX столетия группа, возглавляемая А. Левиным (Рокфеллеровский институт, США), установила, что нуклеиновые кислоты — длинные цепочки сахаров-пентоз, сшитые остатками фосфорной кислоты (фосфорная кислота — Н3РО4; два гидроксила ОН идут на присоединение пентоз, а третий — свободный и придает нуклеину кислые свойства). К каждой пентозе присоединено азотистое основание — аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил. Тимин (как следует из названия) был выделен только из тимонуклеиновой кислоты и был верным ее индикатором.

Ошибкой школы Левина было то, что ученые доверились результатам в то время еще грубых анализов, из которых как будто бы следовало, что нуклеиновые основания имеются во всех кислотах в равном количестве. Так возникла тетрануклеотидная теория, утверждавшая, что все нуклеиновые кислоты — продукты полимеризации четырех нуклеотидов (азотистое основание + сахар называется нуклеотидом). Тимонуклеиновая кислота обозначалась, например, (АГЦТ) n, где n — число этих оказавшихся мифическими звеньев, а А, Г, Ц, Т — соответственно аденин, гуанин, цитозин и тимин. В «растительной» нуклеиновой кислоте тимин замещался урацилом. Такое вещество — полимер из четырех оснований — действительно казалось слишком простым, чтобы быть материальным фактором наследственности. Простота строения, конечно, не может быть препятствием: теория информации свидетельствует, что любую структуру можно закодировать лишь двумя сигналами, например, единицей и нулем в разных сочетаниях. Но тогда еще не было теории информации.

Первую лопату земли в пропасть, разделявшую «растительную» и «животную» нуклеиновые кислоты, бросили не биохимики, а специалисты по химии клетки — цитохимики. В 1924 году Р. Фельген открыл цветную реакцию на тимонуклеиновую кислоту — знаменитый реактив Фельгена, окрашивающий ядро клеток на микроскопических препаратах. Оказалось, что ядра растительных клеток также красятся «по Фельгену». Оставалось сделать последний шаг, как правило, самый трудный, — выделить из растительных клеток животную нуклеиновую кислоту и тем самым доказать ее общность для живой природы.

К сожалению, знающие себе цену биохимики не очень охотно занимались нуклеиновыми кислотами, где все казалось ясным после работ Левина. То ли дело загадочные белки, несомненная основа жизни, а стало быть, и наследственности! Культ личности никогда не доводил до добра, даже если эта «личность» оказывалась химическим веществом. Тем не менее, продолжали находиться, по тогдашней мерке, чудаки, те, кто и на линованой бумаге пишут поперек и для которых вопросы «модности» объекта и методики первостепенными не являются.

К числу их относился молодой биохимик, лишь недавно перебравшийся в Московский университет из Ташкента, Андрей Николаевич Белозерский. Опираясь на данные цитохимии, он предпринял весьма трудную по тем временам попытку — выделить тимонуклеин из растительных клеток. Многим это казалось попросту диким — все равно что попытаться выделить хлорофилл из животных клеток.

Опыт удался: переработав совместно с И. И. Дубровской многие килограммы проростков конского каштана, А. Н. Белозерский получил в 1936 году чистую тимонуклеиновую кислоту из растения. Тем самым пропасть, разделявшая царства растений и животных, была уничтожена навсегда.

Годом позже Фельген с сотрудниками выделили тимонуклеин из проростков ржи. Стандартный объект для выделения «растительной» нуклеиновой кислоты — дрожжи — также содержал «животную». Обе нуклеиновые кислоты оказались общими для всего живого (кроме вирусов, но о них после). К этому времени и стали употребительными названия дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты и их сокращения: ДНК и РНК, ныне известные каждому школьнику.

На пути дальнейших исследований в этом направлении лежало бревно тетрануклеотидной теории. Убрать его удалось лишь Дж. Гулланду с сотрудниками через 10 лет после работ Белозерского. Тщательно определив содержание аденина, тимина, гуанина и цитозина в ДНК ряда объектов, они показали, что отношение их отличается от 1: 1: 1: 1.

Это стимулировало работы другого исследователя — классика химии нуклеиновых кислот Э. Чаргаффа. Чаргафф разработал методы, позволяющие определять состав ДНК и РНК в весьма малых количествах вещества (десятки граммов, по тем временам — огромный скачок; это сейчас ухитряются определять состав ДНК в кусочке отдельной хромосомы).

Чаргафф сам признает, что стремление изучать ДНК у него возникло после работ Эйвери, Мак-Леода и Маккарти, показавших, что именно она является тем самым загадочным фактором Гриффитса, изменяющим наследственность бактерий. В результате трехлетних работ его лаборатории от тетрануклеотидной теории ничего не осталось. И ДНК и РНК разных видов растений, животных и микроорганизмов оказались различными по составу. Этого мало — Чаргафф сформулировал свои знаменитые правила для ДНК, которые для будущей молекулярной биологии оказались тем же, что и эмпирические законы Кеплера для астрономии.

Именно: состав ДНК изменяется в довольно широких границах. Разумеется, мы говорим о составе, имея в виду азотистые основания — остатки фосфорной кислоты и углеводы во всех ДНК одинаковые.

Согласно Чаргаффу, сумма содержания аденина и гуанина в ДНК всегда равна сумме цитозина и тимина (А + Г = Ц + Т). Так же и содержание гуанина и тимина равно содержанию аденина и цитозина. Изменяться в ДНК мог лишь процент суммы гуанина и цитозина (% ГЦ). Состав РНК не был так жестко запрограммирован.

Слева — матричный синтез гена, как он представлялся Н. К. Кольцову в 1929 г. Справа — современная схема репликации ДНК.

Правила Чаргаффа, наряду с рентгенографическими исследованиями английских физиков М. Уилкинса и Р. Франклин, дали возможность физику Ф. Крику и генетику Д. Уотсону в Кембриджской лаборатории разгадать структуру ДНК — она оказалась двойной спиралью, легко разделяющейся на две половинки. В этом строении был великий смысл: отсюда автоматически вытекала возможность самоудвоения, репликации молекулы, репликации гена. Именно этот процесс протекает в клетках при делении, и именно его предсказал Н. К. Кольцов (только он полагал, что ген — белковая молекула). Так протянулась на сто лет цепь от исследователя к исследователю; Крик и Уотсон завершили дело, начатое Мишером в лаборатории Гоппе-Зейлера. Но эстафету от Мишера к ним на протяжении века передавали друг другу Коссель и Левин, Фельген и Белозерский, Гулланд и Чаргафф; лишь наше поколение достигло цели (я хотел написать — финиша, но финиша в науке нет, есть только следующий старт).

Итак, гены оказались гигантскими, хорошо различимыми в электронный микроскоп нитевидными молекулами нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК — генный материал подавляющего большинства организмов. В норме она двуцепочечна — это скрученная в спираль двойная нить, вернее, цепочка, структура которой поддерживается водородными связями, возникающими между смежными азотистыми основаниями нитей. При этом гуанин присоединяется к цитозину, а аденин к тимину. Г всегда столько же, сколько Ц, а А столько же, сколько Т. Из такой структуры автоматически вытекают правила Чаргаффа.