Невидимый современник

И способность молекул ДНК к размножению и способность их определять строение белков были в 1953 году всего лишь гипотезами. Основанием для такого предположения послужили данные о довольно своеобразном строении молекулы ДНК и общие соображения о ее генетической роли. Поэтому первая задача состояла в том, чтобы проверить смелые гипотезы Крика и Гамова. Но вскоре обе гипотезы подтвердили экспериментально.

Тогда возникли вопросы: а как именно нуклеиновые кислоты определяют специфичность белков? Какую роль в белковом синтезе играют нуклеиновые кислоты? Ждать пришлось недолго. Сейчас на оба эти вопроса есть достаточно ясные и подробные ответы.

Настоящий штурм гена начался в 1961 году. В Москве собрался V Международный биохимический конгресс. На одном из заседаний молодой и тогда мало кому известный американский биохимик Маршалл Ниренберг сообщил, что ему удалось осуществить синтез белка в пробирке, вне живой клетки.

Чтобы получить белок, Ниренбергу пришлось взять смесь аминокислот — строительных «кирпичей», из которых состоят белки, кое-какие биологически активные вещества и… нуклеиновую кислоту.

Нуклеиновая кислота была трех сортов: рибосомная, та РНК, что содержится в частицах, где происходит сборка белковой молекулы; транспортная РНК, молекулы которой присоединяются к «кирпичам» и тащат их туда, куда нужно; и, наконец, информационная РНК, определяющая порядок, в каком нужно складывать «кирпичи». Все три типа РНК образуются в хромосомах под влиянием находящейся там ДНК. Собственно говоря, они представляют собой слегка измененные копии отдельных участков хромосомной ДНК.

Самое замечательное в опытах Ниренберга было то, что белок синтезировался и тогда, когда брали искусственную информационную РНК, такую РНК, которая не похожа ни на одну из ее природных разновидностей. Конечно, и белок при этом получался непохожий ни на один белок, знакомый биохимикам.

Эти опыты положили начало расшифровке генетического кода — алфавита наследственности. Белки содержат до 20 разных аминокислот. В постройке же нуклеиновых кислот участвует всего четыре нуклеотида. Это не должно нас удивлять. Ведь с помощью азбуки Морзе можно зашифровать любые буквы любого языка, и в придачу к ним цифры и знаки препинания. А ведь азбука Морзе состоит всего лишь из двух знаков — точки и тире. Но, конечно, из-за этого приходится, как правило, на каждую букву брать по нескольку знаков телеграфной азбуки.

Расшифровать генетический код — значит узнать, какие группы нуклеотидов соответствуют каждой из 20 аминокислот. Первая такая группа была найдена Ниренбергом в работе, о которой он докладывал в Москве.

Теперь генетический код уже расшифрован. А одной из наиболее быстро развивающихся наук стала молекулярная генетика, изучающая физико-химические основы наследственности.

Если бы нужно было выбрать одно слово, наиболее характерное для современной биологии, то этим словом оказалось бы прилагательное «молекулярный». Зайдите в книжный магазин, и вам бросятся в глаза с переплетов и корешков новых книг заглавия: молекулярная биология, молекулярная генетика, молекулярная биофизика, молекулярная биохимия, молекулярная эволюция, молекулярная патология… Молекулярная, молекулярная, молекулярная… Конечно, отчасти это дань моде, так как некоторые из этих книг по своему содержанию ничем существенным не отличаются от выходивших десять и двадцать лет назад, под совсем другими, скромными названиями. Но дело, конечно, не только в моде, или лучше сказать, что мода эта не случайная. Биология теперь, впервые за несколько веков своего существования, подошла к изучению молекулярных основ жизненных процессов. Поэтому вполне понятно стремление биологов связать изучаемые ими явления с тем, что происходит на молекулярном уровне.

Особенно естественно такое стремление для радиобиологии. Ведь в основе всех биологических эффектов радиации лежит взаимодействие ионизирующих частиц с молекулами живого вещества, даже не с молекулами, а с отдельными составляющими их атомами.

Наше путешествие по радиобиологии подходит к концу. Мы не только узнали, какие изменения производит ионизирующая радиация в живых организмах, но даже почему они происходят. Пора бы, казалось, поговорить и о молекулярных нарушениях, которые лежат в основе радиобиологических эффектов.

Но, увы, хотя это кажется вполне уместным, многого мы сказать не можем. Исследование молекулярных основ радиобиологии только начинается.

Как ни странно, но до сих пор наша наука еще не имеет прямых указаний на то, какие именно молекулярные повреждения наиболее существенны для биологических эффектов. Догадываться можно о многом, но прямых доказательств пока нет. Действительно, если ведущая роль в лучевом поражении принадлежит изменениям наследственного аппарата клеток, а «веществом наследственности» является нуклеиновая кислота, то очевидно, что наиболее важными должны быть нарушения, производимые облучением в молекулах ДНК.

Но хотя роль поражений молекул ДНК кажется довольно очевидной, прямых доказательств почти нет. И это несмотря на то, что нуклеиновая кислота находится под сильным подозрением уже по крайней мере лет двадцать.

До самого недавнего времени все попытки вызвать в молекулах ДНК какие-нибудь изменения с помощью ионизирующих лучей приводили к одному и тому же результату: чтобы вызвать сколько-нибудь установимые изменения, нужны очень высокие дозы радиации — сотни тысяч, миллионы, редко десятки тысяч рентген, то есть во много раз превосходящие «биологические» дозы.

Но живой организм гораздо более чувствительная система, чем любые лабораторные приборы. А методы изучения молекул были недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить происходящие в них изменения. В последние годы положение существенно изменилось, и ученые могут определять в молекулах нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов (комплексов нуклеиновых кислот с белками) изменения при облучении их дозами порядка тысяч, а иногда даже сотен или десятков рентген. Такие возможности открылись совсем недавно, и, хотя исследования ведутся широким фронтом, точки над «и» еще не поставлены. Но нужно надеяться, что произойдет это довольно скоро.

Я расскажу в качестве примера лишь об одном направлении работ. Выбор мой определяется тем, что наиболее хорошо знакомо, так как большая часть работ, о которых пойдет речь, проведена в нашей лаборатории.

Самое первое, что ученые обнаружили при облучении растворов ДНК, было изменение их вязкости. ДНК представляет собой длинные нитевидные молекулы, и потому растворы ее отличаются очень высокой вязкостью. Чем длиннее нити, тем выше вязкость раствора. После облучения вязкость уменьшается, причем тем больше, чем выше примененная доза. Совершенно ясно, что в основе падения вязкости лежит фрагментация молекул.

Как хорошо, можете подумать вы, фрагментация молекул, фрагментация хромосом… А хромосомы как раз состоят из этих молекул. Все ясно! Подождите радоваться. Все было бы действительно хорошо, если бы дозы, вызывающие первое заметное падение вязкости, были в тысячу или хотя бы в сто раз меньше. А так получается слишком большая неувязка.

Но молекулы ДНК построены довольно своеобразно. Каждая молекула представляет собой двойную нить, закрученную в спираль. Стало быть, чтобы разорвать молекулу, нужно порвать две нити, и падение вязкости связано с двойными разрывами. Возможно, одиночные разрывы возникают при значительно меньших дозах? Может быть… Но как это проверить? Ведь одиночный разрыв никак не сказывается на свойствах молекулы. Вот если бы раскрутить двойные спирали, поместить в раствор отдельные ниточки и померить его вязкость! Тогда все стало бы ясно.

Идея далеко не такая фантастическая, как может показаться на первый взгляд. Если раствор нагреть, молекулы ДНК сами по себе разделяются на отдельные нити. Правда, при остывании они снова соединяются. Однако, если раствор охладить очень быстро, то нити так и остаются разъединенными. Эта методика была использована в радиобиологических опытах московским биофизиком Павлом Иосифовичем Цейтлиным и молодым сотрудником нашей лаборатории Николаем Рябченко.