Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Это отношение начало меняться в 1944 году, когда были опубликованы подробности красивого простого эксперимента. Открытие, что именно ДНК, а не белок, настоящий носитель наследственной информации, было сделано Освальдом Эвери (1877–1955) в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке. Выделив вещество, которое могло менять некоторые свойства одного штамма бактерий на свойства другого в процессе, называемом трансформацией, он обнаружил, что полимер ДНК и был на самом деле тем «трансформирующим фактором», который придавал клеткам новые свойства.

Эвери, которому тогда было 65 лет и который уже собирался на пенсию, и его коллеги Колин Манро Маклеод и Маклин Маккарти повторили то же наблюдение, что почти на двадцать лет раньше сделал бактериолог Фредерик Гриффит (1879–1941) в Лондоне. Гриффит изучал пневмококк (Streptococcus pneumoniae) – бактерию, которая вызывает эпидемии пневмонии и существует в двух разных формах: R-форме, которая под микроскопом выглядит шершавой (rough) и незаразна, и S-форме, или smooth, гладкая, которая может вызывать смертельно опасную болезнь. У пациентов с пневмонией обнаруживались обе формы – R и S.

Гриффит задумался, не превращаются ли друг в друга летальная и безобидная формы бактерии. Чтобы ответить на этот вопрос, он придумал хитрый эксперимент, в котором колол мышам безвредные R-клетки вместе с S-клетками, предварительно убитыми нагревом. Можно было ожидать, что мыши выживут, поскольку когда им кололи только убитую вирулентную форму S, то грызуны выживали. Однако неожиданно, когда живая невирулентная форма R поступила вместе с мертвыми клетками формы S, мыши стали умирать. Из умерших мышей Гриффит получил живые клетки как R-, так и S-типа. Он рассудил, что некая субстанция из убитых нагревом S-клеток перешла в R-клетки и превратила их в S-форму. Поскольку это изменение наследовалось в поколениях бактерий, было сочтено, что этот фактор – генетический материал. Гриффит назвал этот процесс «трансформацией», хотя не имел представления об истинной природе «трансформирующего фактора».

Ответ появился почти через двадцать лет, когда Эвери с коллегами повторили эксперимент Гриффита и доказали методом исключения, что этот фактор – ДНК. Они поочередно убирали белок, РНК и ДНК, используя ферменты, которые переваривают лишь каждый отдельный компонент клетки: в данном случае это были протеазы, РНКазы и ДНКазы соответственно{46}. Последовавшая статья оказала действие, однако вовсе не сразу, потому что научное сообщество не торопилось расставаться с уверенностью в том, что для объяснения генетики необходима сложность белков. В книге «Нобелевские премии и науки о жизни» (2010) Эрлинг Норрби, бывший генеральный секретарь Шведской королевской академии наук, обсуждает, почему так неохотно принимали открытие Эвери: хотя работа его группы была убедительной, скептики приводили рассуждения, что всё равно была возможность, что трансформацию обеспечивали малые количества какого-то другого вещества, например устойчивого к протеазам белка{47}.

Тем временем большие успехи были достигнуты в изучении белков, в частности в 1949 году, когда британец Фредерик Сэнгер определил последовательность аминокислот в гормоне инсулине – замечательное достижение, за которое он будет награжден Нобелевской премией. Его работа показала, что белки – это не комбинация близкородственных веществ без единой структуры, а на самом деле одно вещество{48}. Сэнгер, которого я глубоко уважаю, без сомнения, один из самых виртуозных научных новаторов всех времен благодаря его особому вниманию к разработке новых методов{49}. («Из трех главных видов деятельности, из которых состоит научная работа – думать, говорить и делать, – я предпочитаю последний и, вероятно, умею это лучше всего. Я вполне справляюсь с думанием, но не очень хорошо говорю»{50}.) Его подход принес отличные дивиденды.

Идея, что нуклеиновые кислоты держат ключ к наследственности, постепенно начала преобладать в конце 1940-х и в начале 1950-х, когда были поставлены другие успешные эксперименты по трансформации – например, было показано, что РНК из вируса табачной мозаики сама по себе заразна. И все же признание, что ДНК – это наследственный материал, приходило медленно. Истинное значение экспериментов Эвери, Маклеода и Маккарти стало ясно только в следующем десятилетии, когда накопилось достаточно данных. Один из ключевых для данной гипотезы фактов был получен в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Коулз Чейз продемонстрировали, что ДНК – это генетический материал вируса, известного как бактериофаг Т2, способный заражать бактерии{51}. Значительно лучше стали понимать, что ДНК – это генетический материал, в 1953 году, когда ее структура была выявлена Уотсоном и Криком во время работы в Кембридже (Англия). Предыдущие исследования установили, что ДНК состоит из кирпичиков, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из сахара-дезоксирибозы, фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований – аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Фосфаты и сахара соседних нуклеотидов сцепляются и образуют длинный полимер. Уотсон и Крик установили, как эти детали соединяются вместе в элегантную трехмерную структуру.

Чтобы достичь этого, они использовали критически важные данные, полученные другими учеными. От Эрвина Чаргаффа они узнали, что четыре разных химических основания в ДНК обнаруживаются парами, что чрезвычайно важно, когда дело доходит до понимания «ступенек», из которых состоит лестница жизни. (В мою коллекцию по истории науки в моем бесприбыльном Институте Крейга Вентера входит лабораторный блокнот Крика того времени, где записаны неудачные попытки повторить эксперимент Чаргаффа.) Они получили ключ к решению от Мориса Уилкинса, который первым поразил Уотсона своими новаторскими рентгеновскими исследованиями ДНК, и Розалинд Франклин. На фото № 51 (также экспонат коллекции в Институте Вентера), сделанном Рэймондом Гослингом в мае 1952 года, видны черные перекрещенные отражения, которые оказались ключом к молекулярной структуре ДНК, выявляющие, что это двойная спираль, в которой буквы текста ДНК соответствуют перекладинам{52}.

25 апреля 1953 года статья Уотсона и Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты»{53} вышла в Nature. Спиральная структура ДНК стала прозрением, «намного красивее, чем мы ожидали», пояснил Уотсон, потому что комплементарная природа букв – то есть составляющих ее нуклеотидов – ДНК (буква А всегда стоит в паре с Т, а Ц с Г) сразу же показала, как копируются гены при делении клетки. Хотя это был давно искомый механизм наследственности, реакция на статью Уотсона и Крика была далека от немедленной. Но признание в конце концов пришло, и через девять лет Уотсон, Крик и Уилкинс поделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года «за их открытия молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живой материи».

Однако двое ученых, предоставивших важнейшие данные, не были включены в число лауреатов: Эрвин Чаргафф (и он был обижен и озлоблен до конца своих дней){54}, и Розалинд Франклин, умершая в 1958-м, в 37 лет от рака яичников. Освальд Эвери несколько раз номинировался на Нобелевскую премию, но он умер в 1955 году, до того, как признание его достижений стало достаточным, чтобы его наградить. Эрлинг Норрби приводит слова Горана Лильестранда, секретаря Нобелевского комитета Каролинского института, из его обзора 1970 года по Нобелевским премиям по физиологии и медицине: «Открытие Эвери в 1944 году роли ДНК как носителя наследственности представляет собой одно из самых важных достижений в генетике, и достойно сожаления, что он не получил Нобелевской премии. К тому времени, как утихли голоса несогласных, он уже умер»{55}.

46

Avery, O. T., Colin M. MacLeod, and Maclyn McCarty. “Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III.” Январь 1944. Exстр. Med., 79, стр. 137–158.

47

Stegenga, Jacob. “The Chemical Characterization of the Gene: Vicissitudes of Evidential Assessment Hist.” Phil. Life Sci., 33 (2011), стр. 105–127.

48

Sanger, F., 1952. “The arrangement of amino acids in proteins.” Adv. Protein Chem. 7, стр. 1–66.

49

Stretton, Antony O. W. “The First Sequence: Fred Sanger and Insulin.” Genetics, October 1, 2002, Vol. 162, № 2, стр. 527–532.

50

Sanger, F., 1988. “Sequences, sequences, and sequences.” A