Происхождение эволюции. Идея естественного отбора до и после Дарвина - [71]

Почва была подготовлена благодаря анализу ДНК, который провел Эрвин Чаргафф (1905–2002), биохимик австрийского происхождения из Колумбийского университета в США. Под впечатлением от работ Эвери, Маклауда и Маккарти во второй половине 1940-х гг. он сосредоточил усилия своей лаборатории на исследовании ДНК. В молекулах ДНК и РНК содержатся два типа оснований. Первый из них — «пиримидины» — представляет собой единственное кольцо из шести атомов в форме практически правильного шестиугольника, которое может прикрепляться к другим частям молекулы с внешней стороны кольца. К этому типу относятся урацил (У), тимин (T) и цитозин (Ц). Второй тип называется «пурины» и обладает более сложным строением из двух похожих колец, соединенных друг с другом одной из сторон (что-то наподобие восьмерки). К этому семейству относятся аденин (A) и гуанин (Г). В ДНК содержатся основания А, Т, Г, Ц; в РНК — А, У, Г, Ц. Проведя серию точных экспериментов, команда Чаргаффа вывела набор простых правил, определяющих количественные соотношения между видами оснований в молекулах ДНК. Эти правила были изложены в статье 1950 г.: общее количество пуринов в образце ДНК (A + Г) всегда равно общему количеству пиримидинов (T + Ц); кроме того, количество А почти равно количеству Т, а количество Г почти равно количеству Ц. Команда также обнаружила, что соотношение гуанина, цитозина, аденина и тимина у разных живых видов различно[51]. Все это означало, что молекула ДНК не является просто каркасом с бесконечным повторением четырех оснований и должна иметь более сложное строение; это была смерть (совсем не преждевременная) тетрануклеотидной гипотезы. «Правила Чаргаффа» дали исследователям один из ключей к пониманию того, как устроена молекула ДНК, но это понимание пришло только после того, как другая команда убедительно доказала, что генетическая информация содержится именно в ДНК.

К пониманию значения ДНК привел ряд экспериментов, которые проводились со все более мелкими и быстро воспроизводящимся организмами. Грегор Мендель работал с горохом, Томас Хант Морган — с плодовыми мушками, а команда Эвери — с бактериями. Последний шаг на этом пути был сделан благодаря самым крошечным носителями генетического материала — вирусам. Чем меньше организм, тем меньше в нем чего-то, кроме генетического материала, и тем проще изучать этот материал. В вирусах это соотношение выражено в крайней степени.

Вирусы представляют собой просто наполненные генетическим материалом белковые капсулы размером гораздо меньше бактерий. Впервые их сфотографировали в 1940-х гг. с помощью электронного микроскопа. Типичный вирус напоминает головастика с «головой» в виде капсулы, заполненной генетическим материалом, и «хвостиком», который используется для прикрепления. Когда вирус атакует клетку, он проделывает в ее стенке отверстие и впрыскивает внутрь свой генетический материал, а пустая капсула, или оболочка, остается прикрепленной к стенке клетки. Впрыснутое вещество захватывает химическую фабрику клетки, и ее внутренние ресурсы используются для производства копий вируса. Затем клетка лопается, высвобождая новые копии вируса, и процесс повторяется.

Это простейшая форма жизни: вирусы существуют только для того, чтобы воспроизводить самих себя. В начале 1950-х гг. Альфред Херши (1908–1997) и Марта Чейз (1927–2003) из лаборатории Колд-Спринг-Харбор в США провели с вирусами замечательный эксперимент, благодаря которому было получено окончательное доказательство того факта, что именно ДНК содержит инструкции по производству копий вируса в атакованной клетке[52].

Вирусы, с которыми они работали, называются «бактериофаги» (или для краткости просто «фаги», от древнегреческого «фагеин», «пожираю»), так как они «пожирают» бактерии. В основе эксперимента Херши и Чейз лежал простой факт, что фосфор содержится в ДНК, но отсутствует в белках, а сера содержится в белках, но отсутствует в ДНК. Изотопы как фосфора, так и серы легко получить (если, конечно, вы ученый) в радиоактивной форме. Херши и Чейз «скормили» фагам бактерии, которые выращивались в питательной среде с содержанием радиоактивного изотопа либо фосфора (фосфор-32), либо серы (сера-35). Затем полученным радиоактивным фагам дали возможность атаковать колонию нерадиоактивных бактерий. Везде, где ученые обнаруживали радиоактивный фосфор, они прослеживали путь ДНК, а везде, где они обнаруживали радиоактивную серу, они прослеживали путь белка.

К сожалению, после того, как радиоактивные фаги заразили культуру бактерий, исследователи получили массу клеток, до отказа забитых новыми вирусами, но с прикрепленными на их стенках пустыми капсулами фагов, в которых прежде содержался их генетический материал. Оба вида радиоактивных изотопов присутствовали в клеточном бульоне. Чтобы отделить оболочки старых фагов от новых вирусов, которые производились внутри бактерий, ученые использовали обычный кухонный прибор, блендер фирмы Waring; биологам следующих поколений это исследование известно под названием «эксперимент с блендером Waring».

Херши и Чейз использовали блендер на минимальной мощности, чтобы аккуратно отделить оболочки фагов от стенок инфицированных клеток. Затем они поместили бульон в центрифугу, так что бактерии, заполненные новыми вирусами, осели на дно, а оболочки старых фагов остались плавать в растворе. Затем осадок и раствор были проанализированы. Радиоактивные изотопы фосфора, указывающие на присутствие ДНК, были обнаружены внутри клеток (в новом поколении вирусов), а радиоактивные изотопы серы, указывающие на присутствие белка, — в пустых оболочках. Результаты эксперимента были опубликованы в 1952 г. и не оставили места для сомнений: генетическая информация содержится именно в ДНК, а белки являются строительным материалом для живых организмов.