100 великих научных открытий - [24]

Однако роль дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) долгое время оставалась загадкой. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери (1877–1955), опытным путем доказавший, что посредством ДНК генетический материал передается от бактерии к бактерии. Ученые поняли — ДНК нужно изучать. Но как?

Одним из тех, кто заинтересовался этой проблемой, был американский биолог Джеймс Уотсон (р. 1928). Желая исследовать природу гена как можно лучше, он поехал в Европу и на конференции узнал, что британские физики изучают строение молекулы ДНК с помощью рентгена. Направившись в Англию, Уотсон устроился в Кавендишскую лабораторию и там познакомился с физиком Френсисом Криком (1916–2004). Крик увлекся биологией благодаря книге Э. Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики», где высказывалось предположение, что хромосома похожа на кристалл, а «размножение» генов напоминает рост кристалла.

В кристалле одна и та же группа атомов повторяется множество раз, а значит, молекула ДНК, непосредственно связанная с геном, должна иметь подобную структуру, — подумали Уотсон и Крик и обратились за помощью к коллегам: физикам Морису Уилкинсу и Розалинде Франклин.

Проведя рентгеноструктурный анализ ДНК, Уилкинс и Франклин обнаружили, что эта молекула представляет собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Тогда Уотсон и Крик решили исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот и определили, что те бывают двух типов — дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Обе кислоты состоят из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), тимина (Т) в ДНК и урацила в РНК. Однако в нуклеотид ДНК входит углевод дезоксирибоза, в то время как в нуклеотид РНК — рибоза, у которой, в отличие от дезоксирибозы, есть «лишняя» водородная группа. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты и в феврале 1953 г. сделали доклад о структуре ДНК. А месяцем позже создали трехмерную модель молекулы из шариков, кусочков картона и проволоки.

Согласно модели Крика — Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозы фосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. По Уотсону и Крику, две части молекулы разъединяются в местах водородных связей, что напоминает расстегивание «молнии», и из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая ДНК. Матрицей, образцом для образования молекул служит последовательность оснований. Достаточно «размотать» косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивался с Т, а Г — с Ц. Из‑за того, что размеры пар А‑Т и Г‑Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики. В то же время этот «кристалл» может содержать самые разнообразные сочетания А, Т, Ц, Г, поэтому все гены разные.

Модель Уотсона и Крика объяснила четыре главные функции ДНК: репликацию (копирование) генетического материала, наделение его специфическими чертами, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

25 апреля 1953 г. ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature, а через 10 лет разделили с Уилкинсом Нобелевскую премию по биологии. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

«Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК — к рождению новой, молекулярной биологии», — пишет М. Франк‑Каменецкий, выдающийся генетик, автор книги «Самая главная молекула».

Изучение структуры и биохимии ДНК способствовало созданию методики модификации генома и клонирования. В 1969 г. ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 г. — искусственный ген. В 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 г. впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства, а также для установления личности преступника.

Очевидно, в будущем ученые научатся клонировать органы человека, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания.

Генетический код

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов — размножение. И почему дети — идет ли речь о людях, животных, растениях или микроорганизмах — похожи на своих родителей, бабушек, дедушек, дальних родственников?..

После открытия ДНК — молекулы, которая содержит инструкции для производства белков, выполняющих всю основную работу в клетке, — ученым захотелось выяснить подробности процесса копирования и переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка. Уже было известно, что белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) 20 аминокислот. Все виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Ученые догадывались, что эти последовательности задаются генами — базовыми «кирпичиками» жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.