Николай Дубинин - Вечное движение (О жизни и о себе)
Структура белка в закодированном виде представлена в соответствующем гене, где отдельная аминокислота, как это было показано в 1961 году, кодируется тройкой азотистых оснований. Эти отрезки гена в виде трех оснований получили название кодонов. Детальные биохимические исследования раскрыли все связи, которые существуют между разными типами кодонов и 20 аминокислотами, из сочетания которых строится все неимоверное разнообразие типов белков, нужных для осуществления явлений жизни на всем ее поле, от вирусов до человека.
В 1967 году было установлено, что генетический код, то есть порядок оснований в отдельных кодонах, программирующих вставку определенной аминокислоты, оказался одинаковым у бактерий, у одной из южноафриканских жаб и у млекопитающих - морских свинок. Это показало, что принципы генетического кода универсальны, его форма возникла на заре жизни и устойчиво сохраняется до сих пор.
Открытие природы синтеза белков, программируемого молекулами ДНК, ввело исследователей в глубины обменных процессов в клетке. Здесь методы генетики и биохимии слились воедино. Одновременно показано, что ДНК кодирует не только белки для общих процессов жизнедеятельности клетки, но и те белки, без которых невозможна жизнь самих молекул ДНК.
Размножение, функционирование и само существование молекул ДНК в клетке невозможно без действия сложного комплекса белков-ферментов. При удвоении молекул ДНК новая цепь из дочерних молекул их создается с помощью особого фермента, называемого полимеразой, который был открыт в 1956 году. Этот фермент может быть выделен из клетки и может работать в искусственно созданных системах - аналогах клетки. Если в такую систему поместить набор разрозненных азотистых оснований и полимеразу, то, несмотря на ее наличие, синтеза молекул ДНК все же не происходит. Он идет только лишь при наличии в этом "бульоне" из азотистых оснований какой-либо молекулы ДНК. Эта молекула служит затравкой и матрицей при синтезе, новая, синтезируемая молекула повторяет строение затравки.
Короткие отрезки молекулы ДНК были созданы чисто химическим путем, и они приобрели способность быть матрицей при синтезе. Химический синтез коротких молекул ДНК был осуществлен путем соединения нуклеотидов, которые содержат азотистое основание, остаток сахара и фосфорной кислоты. Нуклеотид, несущий аденин, был связан с нуклеотидом, содержащим цитозин, затем шесть таких двойных нуклеотидов удалось связать в цепь: АЦ АЦ АЦ АЦ АЦ АЦ. Этот искусственно созданный отрезок молекулы ДНК был помещен в среду, содержащую полимеразу и набор азотистых оснований. Синтез ДНК происходил точно по заданной матрице, воспроизводя все взаимоположения оснований этой короткой, химически созданной цепи ДНК.
Функционирование генов, которое выражается в списывании с них информации на молекулы информационной РНК, также требует работы ферментов. Наконец, без ряда специальных ферментов невозможно само существование молекул ДНК в клетке. Раньше господствовало ошибочное мнение, что материальные основы наследственности устойчивы потому, что они якобы выключены из обмена веществ в клетке. Это оказалось ошибкой.
При наличии известной химической устойчивости молекулы ДНК, конечно, подвергаются в клетке различным процессам ассимиляции и диссимиляции. Как же тогда сохраняется генетическая информация? Оказалось, что в клетке работает целая биохимическая система защиты наследственных молекул от повреждений. Как только в молекуле ДНК возникают локальные поражения, это место находит особый фермент - эндонуклеаза - и вырезает его. Второй фермент расширяет эту образовавшуюся брешь. Однако молекула ДНК двуспиральна, поэтому против возникшей бреши лежит нормальный комплементарный участок второй нити. В этих условиях вступает в работу фермент полимераза, который выстраивает комплементарные основания по типу нормальной матрицы и этим восстанавливает исходную нормальную структуру всей молекулы ДНК. Если же этого в отдельных случаях не происходит, появляется мутация. Так в нескончаемом движении обмена веществ осуществляется и консерватизм, и изменчивость молекулярных основ наследственности. Жизнь клетки и развитие особи из оплодотворенного яйца строго упорядочены, они состоят из бесконечного числа упорядоченных реакций. Это обстоятельство безмерно усложняет программирующую роль генетической информации. Качественно и количественно гены должны вступать в действие лишь по мере нужды в их эффектах.
Разработка вопроса о механизмах, регулирующих действие генов,- это один из величайших вопросов современной генетики, и он находится в начале своей истории. Обнаружены вещества в цитоплазме клетки, которые способны активировать гены. Известны также вещества, которые депрессируют их действие. Однако как осуществляется целостное, направленное, под действием генетической программы развитие особи и жизнь клетки в целом, это пока остается неясным.
В результате всех новых открытий перед исследователями предстала картина сложной жизни клетки как целостной структурно-биохимической системы, регулируемой генетической программой. Суть этой системы еще далеко не познана. Однако соединенные прорывы генетики и молекулярной биологии, появление каждого из которых обогащало биологию, позволили уже в наши дни решать крупнейшие вопросы, подводящие нас к познанию сущности жизни и ее происхождения. Оказалось возможным выделить отдельный физически изолированный ген из клетки, что было сделано в 1969 году.
Ранее было показано, что многие вирусы содержат молекулу ДНК. При заражении эта молекула ДНК размножается и убивает клетку. Есть, однако, особая категория так называемых умеренных вирусов, которые входят в клетку и сразу не приступают к размножению. Они внедряются в молекулу ДНК хозяйской клетки и долго пребывают в ней, участвуя в ее репродукции. Это явление получило название лизогении. Было использовано свойство двух разных вирусов садиться с разных сторон одного определенного гена бактериальной клетки. Ген был блокирован двумя частицами вирусов. При определенных условиях особый фермент откусывал два конца молекулы ДНК, выделяя этим блокированный ген.
Предстоящие успехи в выделении генов обещают громадные практические последствия. Введение нормальных генов в клетки наследственно больных людей будет радикальным лечением. Гибридизация растений, животных и микроорганизмов благодаря методу введения изолированных генов приобретает неограниченные возможности.
Принципиальный шаг в искусственном создании генов чисто химическим путем сделали в 1970 году. Особым образом изучили последовательность азотистых оснований в одном коротком гене дрожжевой клетки, содержащем всего 77 азотистых оснований. Такой короткий отрезок ДНК с заданной последовательностью оснований синтезировали химически. Это был первый ген, созданный человеком.
Несмотря на громадное значение первого синтеза гена, этот успех еще невелик перед лицом всей сложности строения генов и их комплексов даже у самых простых форм жизни. Первой формой жизни, которую удастся синтезировать, будут вирусы. Однако даже у простейших вирусов имеется ДНК, в состав которой входит 5500 азотистых оснований, составляющих приблизительно 17 генов. Таким образом, от простого гена до простейшего вируса лежит еще большая дорога трудных свершений. Что же касается клетки, которая, собственно, и является единицей жизни, могущей существовать самостоятельно, то трудности ее синтеза возрастают неимоверно.
Наряду с крупнейшими успехами в изучении фундаментальных вопросов генетика, развиваясь в связи с практикой и с запросами жизни, вошла заметным элементом в производительные силы человечества в области сельского хозяйства и медицины. Вся селекция растений и животных строится ныне на использовании законов наследственности и изменчивости, установленных генетикой. Кроме того, что генетика является научной основой селекции, ее многие экспериментальные и теоретические разработки послужили целому ряду скачков в производительности ряда домашних животных и растений.
Генетика мощного развития гибридов - гетерозиса, методы его получения, его эффективность были изучены в лабораториях экспериментальной генетики. В настоящее время этот способ разведения растений стал основным производственным приемом при посевах кукурузы, овощных, лесных и других культур. Использование гетерозиса преобразило производство. Вслед за гибридной кукурузой разведение гибридных, так называемых бройлерных, цыплят завоевало весь мир. Мясное откормочное свиноводство и откорм крупного рогатого скота также переводятся на пути использования гетерозисных гибридов.
Скрещивание географически удаленных форм было использовано селекционерами для создания новых сортов пшеницы. Использование мутационной формы кукурузы, которая резко повысила в зерне уровень важнейшей для питания животных аминокислоты - лизина, привело к новой революции в возделывании этого растения.
