Страница 53 из 88
«Управлять» синтезом ДНК оказалось, таким образом, излишне. ДНК способна к точной саморепродукции, она сама «управляет» собственным синтезом, а если для ускорения этого синтеза и нужны какие-либо белки — ферменты, то они создаются по «программе», записанной в самой ДНК Образование белков — это и есть, оказывается, основная функция ДНК и РНК — путь, которым ДНК управляет процессом обмена веществ.
Объем генетической информации для развития особей
Но и это не убедило тех, кто старался подвергнуть сомнению каждое новое открытие генетики и биохимии. Упрощенное представление о большом и малом, сложном и 216 простом никак не позволяло некоторым скептикам сопоставлять между собой микроскопическое ядро клетки и сложность сформированного организма. «Нет, — говорили они, — в таком малом объеме ядерного вещества нельзя сконцентрировать столь большой объем «наследственной информации», который необходим для синтеза всех белков сложного организма». Однако и это возражение оказалось несерьезным. В организме, например, человека идентифицировано около 2–3 тысяч разных белков, однако это только начало. По ориентировочным подсчетам Л. Полинга, количество разных белков, входящих в состав человеческого тела, может достигать 100 000. Средний размер полипептидной цепочки белка соответствует 150–200 аминокислотным остаткам.
В ядре же человека — 46 хромосом, а в каждой такой хромосоме не менее 10 000 молекул ДНК. В каждой молекуле ДНК около 20 000 нуклеотидов. Общая длина всех молекул ДНК клеточного ядра соответствует почти 10 миллиардам нуклеотидов. Учитывая уменьшающие факторы — трехнуклеотидность аминокислотного кода, двуцепочечный характер ДНК и парность хромосомного набора (диплоидностъ), можно легко подсчитать, что полинуклеотиды ДНК в ядре клетки человека могут содержать информацию для синтеза 4 миллионов разных белков. Если бы каждые три нуклеотида ДНК соответствовали только одной букве русского алфавита, то информация, содержащаяся в ДНК одной клетки, была бы равна информации, собранной в 400 томах, каждый из которых равен по объему одному тому Большой Советской Энциклопедии!
Очевидно, таким образом, что с теоретической и с фактической точек зрения хромосомная теория наследственности неуязвима. Даже с помощью маленькой клетки один организм может передавать другому зашифрованный в ДНК точный проект всех основных белков, свойственных данному виду. И эмбриональное развитие — это развитие по проекту, причем тот или иной белок возникает в определенный период и в определенном месте. Для изучения механизма контроля развития возникла и успешно развивается новая область генетики — так называемая генетика развития.
Молекулярный механизм репродукции вирусов, фагов и бактерий
Но и этим не ограничивались доказательства существования и функций наследственного вещества. На простейших живых системах — вирусах и фагах — удалось искусственно разделить наследственное вещество РНК или ДНК и тело — «сому», а затем воспроизвести «сому» за счет одного только наследственного вещества и синтетических систем другого организма.
Один из наиболее простых вирусов — вирус табачной мозаики — состоит из длинной спирали РНК, на которую как бы нанизаны сотни идентичных белковых молекул, образующих своеобразный футляр. Белки вируса очень специфичны, таких белков в клетках растения нет. И вот в этой простейшей структуре произошло разделение на наследственное вещество — PH К и «сому» — тело вируса, состоящее из белков.
Френкель — Конрат в США и Шрамм в Германии впервые в 1957 году установили, что РНК вируса, отделенная от белка, сохраняет инфекционность. Если снять с этой РНК ее белковый футляр, то и такая свободная от белка РНК вируса при введении в растение вызывает все признаки заболевания. При этом в клетках растения накапливаются типичные вирусные частицы вместе с белковым футляром. РНК вируса, служащая в данном случае «наследственным веществом, не только воспроизводит белки вируса. Для синтеза вирусного белка используются, конечно, ферментативные активирующие системы клеток растений, но матрицей синтеза служит вирусная РНК Опыты по инфекционности «чистой» вирусной РНК были быстро подхвачены и распространены на десятки и сотни вирусов, и результат был всегда один и тот же. Слово «чистая» РНК мы поставили в кавычки, ибо абсолютная чистота такого сложного соединения, конечно, не может быть гарантирована. Однако даже наличие сотых долей процента аминокислотной примеси оказалось достаточным для скептиков, чтобы выразить сомнение. «Вот видите, — восклицали они, — ведь РНК не была абсолютно чистой. Может быть, именно эта примесь и играла главную роль?» Но получение абсолютно чистой РНК, так же как и получение абсолютно чистого белка, — дело вообще нереальное. Биополимеры — соединения весьма нежные и на какой-то ступени очистки разрушается сама структура РНК Однако попытка опереться на сотую долю процента примесей к РНК в решении проблемы наследственности была, конечно, несерьезным делом. И это возражение провалилось, как только стали изучать механизмы потери инфекционности. Только те факторы, которые влияли на РНК, лишали препарат инфекционности.
Опыты по переносу наследственных свойств вида с помощью нуклеиновых кислот продолжили на более сложных организмах — бактериофагах, построенных из одного-двух 218 десятков белков и ДНК, находящейся, как в футляре, в головке фага, к которой прикрепляется подвижный хвост.
Было обнаружено, что фаговая частица, «подплывая» к бактерии и «прокалывая» ее особым устройством, инъецирует в ее цитоплазму всего лишь одну гигантскую молекулу ДНК. Остальная часть тела фага в его репродукции не участвует. Попадая в бактерию, молекула ДНК развивает бурную деятельность. На ее поверхности образуются особые формы РНК — посланники генетической информации. Они «садятся» на клеточные структуры — бактерии и начинают синтез белков фага. ДНК тем временем начинает размножаться и к концу этого размножения в клетке бактерии вместо одной молекулы ДНК образуется два десятка фаговых частиц. Однако опыты с попыткой заражения бактерий фаговых ДНК, предварительно выделенной из фагов искусственно, не дали первоначально положительных результатов. Фаговая ДНК — это очень большой и длинный полимер, ее молекулярный вес достигает десятков миллионов. Выделить эту ДНК в чистом виде без повреждений оказалось трудным делом, да и без особого прокалывающего устройства, содержащего фермент-лизоцим, который растворяет оболочку бактерий, она не проникала в цитоплазму. При обычном же заражении в клетку бактерии вместе с ДНК попадает ничтожное количество белка — всего около 1 % от веса ДНК, Этот белок не имеет, конечно, прямого отношения к передаче наследственной информации, но для скептиков и это предлог, чтобы усомниться в том, что именно ДНК является наследственной субстанцией. Однако и эти сомнения оказались недолговечными. Недавно были найдены и изучены мелкие фаги с молекулами ДНК меныиего размера. ДНК этих фагов и в отсутствии белков оказалась инфекционной, особенно в том случае, когда ею обрабатывались «голые» бактерии, прочные оболочки которых были предварительно удалены лизоцимом.
Доказательства особых функций ДНК в переносе наследственных свойств перешли на уровень бактерий. И здесь-то в опытах по трансформации одних форм в другие, по изучению полового процесса, в исследованиях синтеза адаптивных ферментов были получены объективно достоверные неопровержимые данные, подтверждавшие роль ДНК и выявлявшие ранее неизвестные особенности действия генетической системы.
Противники генов не внесли в это бурное развитие биологии ничего, кроме искусственно раздуваемых сомнений. Они радовались каждому белому пятну на карте научных открытий. Они старались уверить всех, что именно в области этих пятен лежит разгадка всей проблемы, подтверждение их собственных идей. Но таких пяхен становилось все меньше и меньше.
Особенно наглядным примером прогрессивности и ценности новых открытий в области генетики было развитие исследований, вскрывающих механизм наследственной изменчивости. От вирусов и до высших животных механизм наследственной изменчивости оказался единым — для этого необходимо изменение ДНК в репродуктивных клетках и частицах фагов или РНК в частицах вирусов. На вирусах и фагах продукция мутаций доведена до такой степени совершенства, что удается сопоставить — изменение какого неуклеотида в цепочке РНК или ДНК приводит к изменению позиций той или иной аминокислоты в белковой цепи.