ДНК. История генетической революции
Шрифт:
ДНК оказалась в центре внимания генетиков лишь в 1944 году, когда из лаборатории Освальда Эвери в Рокфеллеровском институте (Нью-Йорк) пришла новость, что можно менять состав оболочки бактерии пневмококка. Такой результат оказался сюрпризом для Освальда Эвери и его молодых коллег: Колина Маклеода и Маклина Маккарти.
На протяжении более чем десяти лет группа Эвери отслеживала еще одно необычнейшее явление, впервые наблюдать которое удалось в 1928 году Фреду Гриффиту, ученому из британского Министерства здравоохранения. Гриффит интересовался пневмонией и изучал ее возбудителя – пневмококк. К тому моменту было известно, что существуют разные штаммы пневмококка, именуемые «гладкими» (S) и «шероховатыми» (R) – названия дали по внешнему виду колоний стрептококков на питательных средах, видимых под микроскопом. Штаммы микроорганизмов различались не только визуально, но и по признаку вирулентности. Оказалось, что если ввести мыши бактерию S-типа, то через несколько дней мышь гибнет, но после инъекции бактерии R-типа остается здоровой. Выяснилось, что клетки S-бактерий
Поскольку Гриффит работал в сфере здравоохранения, он знал, что у конкретного пациента иногда можно найти разные штаммы, поэтому заинтересовался, как эти штаммы могут взаимодействовать друг с другом в организме несчастной лабораторной мыши. Одна из комбинаций микроорганизмов натолкнула его на интересное открытие: если в организм мыши вводили S-бактерии, убитые нагреванием (непатогенные), и обычные R-бактерии (также непатогенные), мышь погибала. Как две непатогенные бактерии могли так «сговориться», чтобы погубить мышь? Ситуация прояснилась, когда ученый выделил бактерии пневмококка из организма погибших мышей и обнаружил живые S-бактерии. Казалось, что живые (непатогенные) R-бактерии что-то позаимствовали у мертвых S-собратьев; что бы это ни было, именно этот ресурс позволял R-бактериям в присутствии убитых нагреванием S-бактерий трансформироваться в живой смертоносный S-штамм. Гриффит доказал, что такие изменения действительно происходят, выведя культуру S-бактерий из нескольких поколений мертвых мышей; бактерия размножалась именно по S-типу точно так же, как размножался бы обычный S-штамм стрептококка, то есть у R-бактерий, введенных мышам, происходили генетические изменения.
Так выглядят под микроскопом кровяные тельца, обработанные специальным веществом для окрашивания ДНК. Задача эритроцитов – переносить кислород; потому, чтобы этот процесс был максимально эффективен, красные кровяные тельца не имеют ядра, а значит, и ДНК. Однако в лейкоцитах, двигающихся в крови в поисках «незваных гостей», есть ядро и хромосомы
Хотя такая трансформация противоречила всем устоявшимся на тот момент взглядам, наблюдения Гриффита поначалу почти не заинтересовали научный мир. Отчасти дело было в том, что Гриффит вел крайне уединенный образ жизни и так сторонился больших собраний, что редко бывал на научных конференциях. Однажды его практически заставили прочитать лекцию. Гриффита усадили в такси и, словно под конвоем, доставили в аудиторию к коллегам. Там он монотонно отбарабанил текст, посвященный какому-то унылому аспекту своих микробиологических исследований, но ни словом не обмолвился о превращениях бактерий. К счастью, прорывное открытие Гриффита не прошло незамеченным.
Освальда Эвери также заинтересовали полисахаридные капсулы пневмококков. Он попытался повторить эксперимент Гриффита, чтобы выделить и охарактеризовать фактор, из-за которого R-клетки «трансформировались» в S-клетки. В 1944 году Эвери, Маклеод и Маккарти опубликовали результаты своей работы. В ходе тщательно спланированного дизайна исследования удалось однозначно продемонстрировать, что в основе бактериальных превращений лежит трансформация ДНК. При выращивании бактерий in vitro, а не в организме живых мышей оказалось гораздо проще идентифицировать химический состав фактора, преобразующего S-клетки, убитые нагреванием. Методично уничтожая один за другим различные химические компоненты S-клеток, убитых нагреванием, Освальд Эвери с коллегами пытались выяснить, блокируется ли трансформация при отсутствии того или иного компонента. Сначала они избавились от полисахаридной капсулы стрептококка S-бактерии. Трансформация не прекращалась, и, следовательно, дело было не в капсуле. Далее они применили смесь двух протеолитических ферментов – трипсина и химотрипсина, разложив с их помощью практически все белки, присутствовавшие в S-клетках. К их удивлению, и это не повлияло на трансформацию. Тогда они взялись за фермент РНКазу, разлагающую РНК (рибонуклеиновую кислоту). Это второй класс нуклеиновых кислот, похожих на ДНК, которые участвуют в синтезе белков. Трансформация опять происходила. Наконец они добрались до ДНК, обработав вытяжки S-бактерий ферментом, разрушающим ДНК. Здесь они «попали в яблочко». Оказалось, что ДНК и есть тот самый преобразующий фактор.
Итоговая статья Эвери, Маклеода и Маккарти, опубликованная в феврале 1944 года, имела все шансы произвести в науке эффект разорвавшейся бомбы и, как любое революционное открытие, вызвала смешанные отклики коллег. Большинство генетиков согласились с выводами Эвери, Маклеода и Маккарти. В конце концов, ДНК находится в каждой хромосоме – почему бы ей не быть носителем генетичекой информации? Большинство биохимиков, напротив, сомневались, что молекула ДНК обладает достаточной сложностью, чтобы в ней могли храниться такие колоссальные объемы биологической информации. Они по-прежнему полагали, что наследственность должна реализовываться через белки, также входящие в состав хромосом. В принципе, как верно отмечали биохимики, обширный корпус сложной информации было бы гораздо проще зашифровать, воспользовавшись «алфавитом» из двадцати аминокислот (входящих в состав белков), нежели четырехбуквенным
Увы, Освальд Эвери упустил не только возможность защищать свои разработки от нападок коллег; более того, он так и не удостоился Нобелевской премии, которую определенно заслужил за открытие возможностей ДНК. Поскольку Нобелевский комитет публикует свои протоколы спустя 50 лет после награждения, сегодня известно, что кандидатуру Эвери заблокировал шведский специалист по физической химии Эйнар Хаммарстен. Хотя Хаммарстен приобрел солидную репутацию в основном за то, что умел готовить беспрецедентно чистые препараты ДНК, он все равно был убежден, что гены – это белки, относящиеся к какому-то еще не известному ученым классу. Даже после открытия двойной спирали Хаммарстен упорствовал в отношении того, что Эвери не заслуживает Нобелевской премии, и продолжал настаивать на своем до тех пор, пока механизм трансформации ДНК не был детально описан. Освальд Эвери умер в 1955 году – проживи он еще несколько лет, и он определенно стал бы лауреатом Нобелевской премии.
Когда в 1947 году я прибыл в Университет Индианы, планируя писать диссертацию по генетике, в научных беседах то и дело упоминалась статья Эвери. К тому времен никто уже не сомневался в воспроизводимости его результатов, а более свежие работы, выполненные в Рокфеллеровском институте, оставляли все меньше оснований полагать, что превращения бактерий могут быть связаны с действием белков. Наконец-то ДНК превратилась в важную цель для химиков, стремившихся к новым прорывным открытиям. В Англии в Кембридже работал толковый шотландский химик Александер Тодд, попытавшийся идентифицировать химические связи, существующие между нуклеотидами в ДНК. К началу 1951 года результатами исследований, проведенных в лаборатории Тодда, удалось доказать, что эти связи всегда одинаковы и остов молекулы ДНК имеет очень правильную форму. В тот же период беженец из Австрии Эрвин Чаргафф, работавший в Колледже терапии и хирургии при Колумбийском университете, применил новый метод, бумажную хроматографию, чтобы измерить количественное соотношение четырех оснований ДНК в препаратах, взятых у различных позвоночных и бактерий.
В Индиане я присоединился к небольшой компании дальновидных ученых, в основном физиков и химиков, изучавших репродуктивные механизмы вирусов, атакующих бактерии (такие вирусы называются бактериофаги или коротко – фаги). «Группа Фейдж» сформировалась, когда мой научный руководитель врач Сальвадор Лурия, обучавшийся в Италии, и его близкий друг физик-теоретик Макс Дельбрюк, родившийся в Германии, объединились с американцем Альфредом Херши, специалистом по физической химии. В годы Второй мировой войны и Лурия, и Дельбрюк считались «гражданами враждебных государств», поэтому не допускались к участию в военных научных проектах, несмотря на то что Лурия, этнический еврей, был вынужден бежать из Франции в Нью-Йорк, а Дельбрюк покинул Германию, поскольку выступал против нацизма. Оказавшись изгоями, они тем не менее продолжали работать в своих университетских лабораториях – Лурия в Индиане, а Дельбрюк в Университете Вандербильта – и в течение нескольких лет регулярно выбирались летом в Колд-Спринг-Харбор, чтобы совместно поэкспериментировать над фагами. В 1943 году они заключили альянс с блистательным, но немногословным Херши, который в ту пору сам исследовал фаги у себя в Университете им. Вашингтона в Сент-Луисе.
Исследовательская программа группы «Фейдж» основывалась на предположении, что фаги, как и все вирусы, – это фактически «оголенные гены». Такую концепцию впервые предложил в 1922 году одаренный американский генетик Герман Дж. Меллер, который тремя годами ранее показал, что рентгеновские лучи вызывают мутации. Заслуженную Нобелевскую премию он получил в 1946 году, вскоре после того как поступил на работу в Университет Индианы. Именно ради встречи с ним я и приехал в Индиану. Герман Дж. Меллер, который начал научную карьеру под руководством Моргана, лучше кого бы то ни было представлял себе развитие генетики в первой половине XX века, поэтому я был просто очарован его лекциями в первом семестре. Однако его работа с плодовыми мушками (Drosophila) принадлежала скорее к прошлому, чем к будущему. Я недолго раздумывал над тем, стоит ли браться за такие исследования под его руководством, и в результате остановился на фагах Лурии, поскольку фаги размножаются гораздо быстрее дрозофил и поэтому они еще интереснее в качестве объекта для исследования. Результаты скрещивания фагов, проведенного сегодня, можно анализировать уже завтра.
Предлагая мне тему для диссертации, Лурия посоветовал следовать «по его стопам» и изучить, как фаговые частицы гибнут под действием рентгеновских лучей. Изначально я предполагал, что причиной смерти вирусов окажется повреждение ДНК. В итоге пришлось нехотя признать, что мой экспериментальный подход, увы, не дал однозначных результатов на химическом уровне. Я мог делать лишь биологические выводы. Хотя фаги, в сущности, состояли только из нуклеиновой кислоты и капсида, я понял, что более глубокие ответы на возникающие вопросы, которых доискивалась группа «Фейдж», можно получить лишь на уровне изучения сложных химических процессов. Каким-то образом ДНК должна была превзойти свой тогдашний «аббревиатурный» статус и открыться нам как молекулярная структура во всех химических подробностях.