Страница 59 из 92
После раскрытия генетического кода, когда стало ясно, как записывается наследственная информация, остался неразрешенным вопрос о «переводе» этой информации с языка ДИК на язык белков. Этой проблемой занялся Роберт Уильям Холли, ученик Винсента дю Виньо из Корнеллского университета.
Еще в начале 40-х годов Торбьёрн Касперсон в Швеции и Жан Браше в Бельгии установили, что в тканях, где идет активный синтез белков, наблюдается повышенное содержание РНК. В 50-е годы некоторые ученые, исследуя этот вопрос, открыли рибонуклеиновые кислоты, молекулы которых имеют сравнительно небольшие массы и размеры. В 1957 г. Фрэнсис Крик разработал теорию, согласно которой на нуклеиновой матрице должны выстраиваться по определенной системе какие-то вещества, которые и переносят аминокислоты в белковую молекулу. Так возникла гипотеза транспортной РНК.
Теория исходила из необходимости наличия 20 различных транспортных РНК, соответствующих 20 аминокислотам. Р. Холли поставил перед собой задачу — исследовать одну из них. С помощью специальных ферментов (рибонуклеаз) он разделял молекулу РНК на небольшие фрагменты и определял их нуклеотидную последовательность. Используя различные ферменты, Холли синтезировал все более крупные фрагменты и к 1965 г. определил структуру транспортной РНК, переносящей аланин в клетках дрожжей.
Метод Холли был сразу же взят на вооружение учеными, и вскоре удалось раскрыть структуры других транспортных рибонуклеиновых кислот. Оказалось, что молекула этих веществ имеет на одном конце триплет нуклеотидов (антикодон), который точно отвечает триплету матрицы. Так, транспортные РНК встречаются по определенной системе на длинной молекуле информационной РНК, являющейся копией соответствующего гена из молекулы ДНК. Транспортные РНК несут на своем хвосте различные аминокислоты, которые также упорядочиваются по определенной системе и с помощью ферментов соединяются в цепь. Этот процесс осуществляется в рибосомах — клеточных «фабриках» по производству белковых молекул.
Обширные и глубокие исследования Ниренберта, Кораны и Холли внесли ясность в вопрос о способе записи и использования генетической информации. В 1968 г. эти трое ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за интерпретацию генетического кода и его функций в синтезе белка.
Совершенствуя свои методы синтеза полинуклеотидных цепей, Корана сумел получить в 1970 г. первый искусственный ген (триплет). Это сыграло важную роль в зарождении генной инженерии. Синтезирование стало возможным лишь после того, как была определена последовательность нуклеотидов в гене. Эта сложнейшая задача в исследовании нуклеиновых кислот нашла свое решение лишь в последнее время.
Молекулярная генетика
В 1935 г. в Париж к известному генетику Борису Эфрусси прибыл молодой исследователь из Калифорнийского технологического института. Это был Джордж Уэлс Бидл. В Париже он вместе со своим французским коллегой начал эксперименты в области, пограничной между генетикой и биохимией. Маленькая мушка дрозофила по-прежнему оставалась для генетиков предпочтительным объектом исследования. Ученые решили проследить, как наследуется у нее глазной пигмент. Эти эксперименты побудили Бидла продолжить изучение биохимических основ наследственности, и это сделало его одним из пионеров зародившейся в 40-х годах новой науки — молекулярной генетики.
В 1937 г. Бидл уехал в Станфордский университет, где встретился с Эдуардом Тейтемом. Там началось их плодотворное сотрудничество. Прежде всего они пришли к заключению, что дрозофила — слишком сложный объект для исследования, и в качестве такового избрали плесневый грибок — нейроспору. Тейтем, работавший над диссертацией по обмену веществ у бактерий, как специалист-микробиолог, знал, что этот плесневый грибок может расти в искусственной среде, состоящей из сахара, соли и витамина Н. В ходе опытов грибок облучали рентгеновскими лучами, получая различные мутантные формы. Наиболее характерной особенностью этих мутантов было то, что они уже не могли расти в такой бедной средз требовались добавки новых веществ. Это было истолковано как изменение ферментативных систем организма.
В свое время работы Г. Дж. Мёллера показали, что рентгеновское излучение вызывает изменения в генетическом материале. Теперь из опытов Бидда и Тейтема следовало, что мутации в генах непосредственно влияют на ферментативные системы организма. Это явилось первым доказательством того, что гены регулируют биохимические функции живых существ. Обобщая результаты своих исследований, Бидл и Тейтем в 1944 г. выдвинули широкоизвестную ныне концепцию «один ген — один фермент».
В 1958 г. Нобелевский комитет при Каролинском институте принял решение присудить Бидлу и Тейтему премию по физиологии и медицине за открытие влияния генов на обмен веществ. Вместе с ними Нобелевскую премию получил молодой исследователь Джошуа Ледерберг, который рано приобрел известность своими исследованиями по генетике бактерий. В 1946 г. он стал сотрудничать с Тейтемом в Йельском университете и за два года подготовил и защитил докторскую диссертацию.
Крупное открытие Ледерберга связано с исследованием механизмов конъюгации у бактерий: при совместном выращивании бактериальные клетки часто соприкасаются и обмениваются генетическим материалом. Ледерберг и Тейтем поставили опыты по совместному выращиванию мутантов бактерии кишечной палочки — одного из любимых объектов исследования для микробиологов. Опыты строились по тому же принципу, что и прежде: получали так называемые ауксотрофные мутанты, которые не способны уже расти в бедной питательными веществами среде, а испытывают потребность в специальных добавках. Ученые обнаружили, что при совместном выращивании таких бактерий появляются гибриды, объединяющие в себе признаки «родителей». Наблюдаемый результат объяснили конъюгацией клеток — своеобразным процессом полового размножения у бактерий.
При исследованиях под микроскопом Ледерберг заметил, что в точке соприкосновения двух клеток их стенки исчезают и образуется протоплазменный мостик, по которому ДНК переходит из одной бактерии в другую. Это наблюдение привело Ледерберга к интересной идее: а что, если попробовать встряхнуть чашку с бактериями? Ведь в таком случае связь между бактериями должна прекратиться преждевременно и обмен ограничится лишь частью генетического материала. Исследуя затем свойства полученных штаммов гибридов, можно точно определить, какие гены переходят из одной бактерии в другую за тот или иной промежуток времени. Этот оригинальный метод дал возможность Ледербергу составить генетические карты микроорганизмов.
В зависимости от строения клеток живые организмы делятся на две крупные группы. Те, что устроены просто, называются прокариотами: их клетки не имеют, оформленного ядра и ДИК у них находится в клетке в необособленном виде. К этой группе относятся бактерии. Более сложные организмы, эукариоты, имеют клеточное ядро, которое отделено мембраной от клеточной плазмы и содержит ДНК, связанную специфическими белками в хромосомы. Бактериальную ДНК иногда также называют хромосомой. Благодаря своему простому устройству генетический аппарат бактерий легче поддается исследованию, и это позволило французским ученым Франсуа Жакобу и Жаку Люсьену Моно изучить механизм регуляции генной активности.
В молодости ученый-медик Франсуа Жакоб мечтал стать хирургом. Но началась вторая мировая война, и ему пришлось поехать военным врачом в Африку. В 1944 г. при высадке десанта в Нормандии он был тяжело ранен, и это окончательно расстроило все его планы. Тогда Жакоб решил заняться наукой. В 1950 г. он попадает в Институт Пастера к известному микробиологу и вирусологу Андре Мишелю Львову. Там уже работал Моно, ученик Львова и Эфрусси.
Одним из важнейших вопросов, над которыми трудились в то время биологи, касался лизогении у некоторых бактерий. Это странное явление заключалось в том, что на плотных колониях бактерий неожиданно появлялись светлые пятна, вызванные разложением клеток. Андре Львов с сотрудниками установил, что ультрафиолетовое излучение может вызывать процесс распада бактерий, имеющих в своей наследственности фактор лизогенности. Это открытие позволило французскому ученому впервые правильно объяснить явление лизогении. А.М. Львов доказал, что в клетках лизогенных бактерий существует некая неинфекционная форма вируса (профаг), которая не размножается там, а прикрепляется к бактериальной ДНК. Становясь частью генетического аппарата, он влияет на механизм генной регуляции, вследствие чего теряет свою активность. Под внешним воздействием (например, ультрафиолетового излучения) профаг может оторваться от бактериальной хромосомы и превратиться в активный вирус, который и вызывает гибель клетки. Теория Львова представляла большой интерес, ибо впервые ставился вопрос о регуляции генной активности. За эту работу А.М. Львов был удостоен в 1965 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.