Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий
Шрифт:
Неясности были с публикацией. В эйфории от победы все стали добрыми и вспомнили о честной игре, не забывая при этом о приоритете. В конце концов, сошлись на том, что результаты будут опубликованы одновременно в трех статьях, написанных отдельно Уотсоном с Криком, Уилкинсом и Франклин. Уотсон с Криком уложились в 900 слов, в одну страницу журнального текста. “Скромненькое” название – “Строение дезоксирибозной нуклеиновой кислоты”. Первая ссылка была на Полинга.
Брэгг продавил публикацию в ближайшем номере журнала “Nature”, статьи вышли из печати 25 апреля 1953 года. В номере от 30 мая Уотсон с Криком опубликовали еще одну статью, на две с небольшим страницы, где они обсудили возможный механизм репликации (удвоения) ДНК в свете предложенной ими структуры. Статья носила чисто гипотетический характер, потому что никаких экспериментальных фактов тогда не было и в помине. Как показала дальнейшая история, в целом они не ошиблись.
Будет большим преувеличением сказать, что сообщение о
А как отразилось сделанное открытие на судьбе наших главных героев?
Начнем с Розалинд Франклин. Она, как вы помните, в марте 1953 года уже перешла на другую работу. Несколько недель спустя Франклин попросила Крика показать ей модель. Она Розалинд не впечатлила. Франклин сохранила как старую, непонятную неприязнь к молекулярным моделям, так и твердую убежденность в том, что так работать неправильно, так открытия не делаются. В изучении вируса табачной мозаики она вновь продемонстрировала свой высокий профессионализм, не только подтвердив предварительные результаты Уотсона, но и сильно продвинувшись вперед. К сожалению, в 1958 году Розалинд Франклин скончалась от рака.
Фрэнсис Крик в 1954 году защитил наконец кандидатскую диссертацию по дифракции рентгеновских лучей на белках, после чего уехал на год в Америку. В 1956 году они с Уотсоном опубликовали еще одну совместную статью, посвященную строению малых вирусов, после чего их научные пути разошлись. По возвращении из США Крик сконцентрировался на проблеме синтеза белков и сформулировал в 1958 году так называемую “центральную догму” молекулярной биологии, заключающую в том, что наследственная информация в живых организмах передается по цепочке ДНК – РНК – белок, но никак не наоборот. Он же утвердил в генетике всем хорошую известную концепцию триплетного генетического кода. Работы эти были чисто умозрительными, но впоследствии блестяще подтвердились. В 1962 году Крик вместе с Уотсоном и Уилкинсом получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие структуры ДНК. В 1976 году Крик перебрался в США, где занимался преимущественно проблемами мозга и сознания, увлекаясь периодически и другими идеями. Скончался в 2004 году.
В том же году ушел из жизни его ровесник Морис Уилкинс. Он единственный из всех остался верен ДНК и в течение нескольких лет методично накапливал экспериментальный материал, подтверждающий правильность созданной Уотсоном и Криком модели. Так что включение его “третьим” в список нобелевских лауреатов было абсолютно оправдано. Да и вся его дальнейшая научная карьера была образцово-показательной, хотя и без громких свершений.
Джеймс Уотсон, младший в этой тройке нобелевских лауреатов, здравствует и поныне. Он проводил исследования в самых различных областях молекулярной биологии и, в частности, приложил много усилий для выяснения генетической природы рака. Время от времени своими поступками и делами подтверждает свою репутацию enfant terrible современной генетики. В 1990 году по его инициативе был начат проект “Геном человека”, возможно, самый масштабный международный научный проект в истории человечества. В течение двух лет он руководил этими работами, покинул свой пост со скандалом, восстав против активно продавливаемой в то время идеи патентования генов.
В 2008 году Уотсон приезжал в Москву. На его публичную лекцию в Доме ученых пришло несколько тысяч человек, от маститых ученых до студентов и аспирантов, которые хотели увидеть и услышать живую легенду науки. Места в зале для всех не хватило, были установлены большие экраны в холле и громкоговорители в сквере. Молодые люди стояли на улице и слушали рассказ ученого о его жизни и об уроках, которые он из всего этого вынес.
Перейдем теперь к самой молекуле ДНК [37] , о которой, я не сомневаюсь, вы и так знаете почти все, так что мне остается лишь акцентировать ваше внимание на некоторых моментах, которые существенны для целей этой книги. Главное – это то, что молекула ДНК представляет собой классический образец нанообъекта . Ее толщина составляет 2,2–2,4 нм, а длина доходит до сантиметров. Каждая молекула ядерной ДНК состоит из сотен миллионов нуклеотидных пар, что в сотни раз больше числа звеньев во всех других известных нам природных соединениях или синтезированных учеными полимерах. Две полинуклеотидные нити, составляющие двойную спираль, абсолютно идентичны по своему составу и строению, но выполняют принципиально разные функции. Одна из них служит собственно хранилищем генетической информации, каждый ее нуклеотид – это одна буква в длинном тексте, составляющем сборник инструкций по росту и функционированию всего нашего организма. Вторая цепочка выполняет вспомогательную функцию. Она идеально геометрически соответствует кодирующей цепочке, подходя к ней как ключ к замку, за это ее называют комплементарной, от латинского complementum – дополнение. Больше всего молекула ДНК похожа на перекрученную застежку-молнию. Такое ее устройство понадобилось Природе для лучшей сохранности генетической информации – молекула ДНК обладает феноменальной химической стабильностью, в подходящих условиях она не разрушается и сотни тысяч, и миллионы лет, благодаря чему мы сейчас можем воссоздавать генетический “портрет” организмов, живших в те незапамятные времена.
37
Мы настолько привыкли к словосочетанию “молекула ДНК”, что зачастую забываем, что в ядре каждой клетки нашего организма содержится как минимум 46 различных молекул ДНК, по числу хромосом. Кроме того, в каждой клетке имеются сотни и тысячи митохондрий – специальных структур, органелл, обеспечивающих клетки энергией. Каждая митохондрия включает молекулу ДНК, отличающую по строению (она замкнута в кольцо) от ДНК хромосом. В дальнейшем я буду говорить преимущественно о “ядерной” ДНК.
Аналогия с застежкой-молнией вообще очень плодотворна. Застежку можно легко расстегнуть – вот и цепи молекулы ДНК расходятся, например, при нагревании. Но при охлаждении они вновь сходятся и скрепляются, восстанавливая прежнюю структуру, это принципиально отличает ДНК от белков, которые при нагревании необратимо денатурируют. Стоит одному зубчику в застежке погнуться или выпасть – и вот уже молния не застегивается. Точно так же и молекулы ДНК “чувствуют” замену даже одного нуклеотида в длинной цепи и “отказываются” скрепляться. Застежка-молния остается таковой независимо от длины, все описанные свойства ДНК также не зависят от ее длины. Если мы бросим в водный раствор две цепочки, состоящие, например, всего лишь из десяти нуклеотидов, удовлетворяющих требованию комплементарности, то они рано или поздно встретятся и прочно соединятся между собой в молекулу ДНК, пусть и маленькую, состоящую всего из десяти пар нуклеотидов . И пусть при этом вокруг плавают хоть миллион других похожих цепочек, если в последовательности соединения их нуклеотидов есть хоть одно отклонение от требований комплементарности, но наши цепочки не обращают на них никакого внимания, они ищут своего единственного, зеркального близнеца. Поразительная избирательность!
Вернемся ненадолго к кодирующей цепочке. Ее, как мы помним, можно уподобить некоему тексту, записанному “буквами” входящих в ее состав нуклеотидов. В этом тексте можно вычленить предложения – точное описание того или иного белка живого организма. Последовательность из трех определенных нуклеотидов образует “слово”, обозначающее конкретную аминокислоту. В этом суть генетического кода. Часть молекулы ДНК, на которой записана инструкция по синтезу одного белка, называется геном . Еще раз подчеркну, что часть молекулы ДНК сама по себе также является молекулой ДНК, это подобие части целому – один из основополагающих принципов организации как живой, так и неживой материи.
Сейчас нам легко говорить об этом, но в 50-х годах прошлого века, когда Уотсон и Крик впервые явили ученым и миру свою модель ДНК, ничего этого не было известно даже на уровне предположений. Ученые вообще впервые столкнулись с таким нанообъектом . Как к нему подступиться? Как его изучать? Как определить строение хотя бы одной молекулы ДНК, то есть выяснить в ней точную последовательность нуклеотидов, если число возможных комбинаций при длине молекулы в сотни миллионов пар превосходит число атомов во Вселенной?
Что делают ученые, попав в такую пиковую ситуацию? В первую очередь они начинают думать, даже, вернее, фантазировать, потому что в их распоряжении есть один-единственный факт, да и тот гипотетический, – модель молекулы ДНК. Давайте немного поиграем в ученых.
Из своего жизненного опыта мы знаем, что сколько ни смотри на неизвестную машину, в ее внутреннем устройстве не разберешься, пока не прочитаешь подробное описание или не разберешь машину на части. Химики так и поступают, у них есть в арсенале разные реагенты, которые разрезают сложные молекулы в строго определенных местах, например, они могут разорвать связь фосфатного остатка с дезоксирибозой, то есть разрезать цепочку ДНК, не затронув при этом связь дезоксирибозы с азотистым основанием. Но для нашей задачи эти реагенты слишком грубые, они будут перерезать молекулу ДНК случайным образом, это все равно, что колотить по машине тяжелой кувалдой, а потом пытаться разобраться в куче разнокалиберных осколков – бесполезное занятие! Нам нужно какое-то более сложное, чем кувалда, устройство, которое будет разрезать молекулу ДНК в строго определенных местах, назовем их условно швами. Это должно быть какое-то специальное устройство, способное обращаться с объектами молекулярных размеров. Понятно, что размер устройства не может быть намного больше молекулы ДНК. Опять же жизненный опыт: даже молоток и гвоздь должны иметь сопоставимые размеры, иначе ничего хорошего не выйдет. Чтобы разрезать в нужном месте молекулу ДНК диаметром 2,4 нм, устройство должно иметь размер в десятки, максимум сотни нанометров.