Таинственный геном человека - Райан Фрэнк - Страница 9

В начале первой главы Шрёдингер задает вопрос: «Как процессы, происходящие внутри живого организма, могут толковаться с точки зрения физики и химии?» Признавая, что знаний, которыми располагали эти науки на момент написания книги, недостаточно для ответа, он тем не менее высказывает мнение, что «важнейшую часть живой клетки – хромосомное волокно – можно назвать апериодическим кристаллом». Автор сам выделил эти слова, чтобы подчеркнуть, что физика его времени имела дело лишь с периодическими кристаллами, то есть повторяющимися атомными структурами, которые можно наблюдать в самых очевидных кристальных формах (например, в драгоценных камнях).

Что же Шрёдингер имел в виду под апериодическим кристаллом?

Он объяснял этот термин с помощью метафоры. Приглядевшись к обоям на стене, мы можем заметить рисунок, который постоянно повторяется. Это периодический кристалл. Рассматривая гобелены, сотканные по эскизам Рафаэля, мы также заметим осмысленный и последовательный паттерн, однако рисунок повторяться не будет.

Далее Шрёдингер продолжил рассуждения. По его словам, хромосомы или, скорее всего, какие-то другие продольные волокна, слишком тонкие, чтобы их можно было рассмотреть под микроскопом, должны содержать некую «кодовую запись», шаблон, задающий параметры развития человека от оплодотворения яйцеклетки до рождения, а затем определяющий функционирование того, что мы называем геномом, в течение его жизни.

Эти рассуждения подвигли юного, наивного, но крайне любопытного американца Джеймса Дьюи Уотсона, объединить усилия с чуть более опытным и таким же пытливым англичанином Фрэнсисом Криком и создать, пожалуй, наиболее известный на сегодня научный союз. Оба ученых, вдохновившись работой Шрёдингера, начали поиски апериодического кристалла.

Уотсон был невероятно умным ребенком. Он жил в Чикаго и учился в местном университете, куда поступил в 15 лет, получив в 19 степень бакалавра (в 1947 году). При этом целый год его учебного курса был посвящен зоологии. Его учитель эмбриологии вспоминал, что Уотсон не интересовался лекциями и никогда ничего не записывал, но, несмотря на это, стал лучшим выпускником в своем классе. Впоследствии Уотсон признавался, что ему было попросту лень. Он немного интересовался птицами, но при этом сознательно избегал любых курсов химии или биологии, имевших хотя бы средний уровень сложности. Знания ленивого выпускника о генетике и биохимии тоже были весьма поверхностными. В рамках образовательного курса он посещал лекции Сьюэла Райта, создателя математической системы изучения популяционной генетики. В лекциях обсуждались и работы Эвери, но Уотсон признавался, но пропустил этот материал. Он также заявлял, что его интерес к «тайнам гена» возник после прочтения книги Шрёдингера «Что такое жизнь?».

Вдохновленный книгой, Уотсон получил исследовательскую стипендию в Университете Индианы в Блумингтоне. Он был очень рад этому, так как местным профессором зоологии был нобелевский лауреат Герман Джозеф Мёллер, который еще в 1921 году наблюдал в генах плодовых мушек мутации, аналогичные описанным Хершли и Чейс в генах бактериофагов. Уотсон заинтересовался, как можно манипулировать фагами в пробирках. Репродуктивные циклы этих вирусов крайне коротки, что отлично подходило нетерпеливому ученому. Существовали простые системы, предназначенные для анализа их количества и жизненного цикла, которые могли позволить взглянуть на проблему генов под новым углом. Нужно было всего лишь тщательно разработать эксперимент, направленный на изучение конкретного аспекта этой проблемы, и ответ был готов через пару дней. Близкое и жестокое взаимодействие между фагами и их носителями-бактериями помогло ученым разобраться в сложной химии генов, наследственности и хромосом.

Удивительно, но направление растущему интересу юного Уотсона задал не Мёллер, а другой исследователь фагов – Сальвадор Лурия.

Итальянец по происхождению, Лурия был микробиологом. Как и Эвери, он бежал в Америку от ужасов войны. К тому моменту он работал совместно с Максом Дельбрюком, занимавшим пост профессора биологии в Калифорнийском технологическом университете. В 1943 году Лурия и Дельбрюк разработали и провели эксперимент, продемонстрировавший, что генетическое наследование у бактерий осуществляется в соответствии со строгими эволюционными принципами. Это опыт стал краеугольным камнем современного дарвинизма. В тот же год Дельбрюк подружился с другим микробиологом, Альфредом Херши, который позднее напишет работу о ДНК вместе с Мартой Чейз. В письме Лурии Дельбрюк описывает Херши так: «Пьет виски вместо чая. Живет на лодке… Любит независимость». Трое ученых объединили усилия, сформировав так называемую фаговую группу. Позднее Дельбрюк рассказывал, что участники группы свободно и регулярно общались между собой, но не отчитывались друг перед другом о своих мыслях и действиях. Таким образом, два беженца из Европы смогли положить начало творческому движению, направленному к единой цели – раскрытию тайны генов.

Лурия, Дельбрюк и Херши задались интересными вопросами. Каким образом вирус проникает в бактерию? Как он размножается внутри? Делится ли он, как сама бактерия, отпочковываются ли от него дочерние вирусы? Или он имеет абсолютно иной механизм размножения? Представляет ли он собой сложный физический или химический процесс, который можно объяснить, используя уже известные принципы этих наук? Они надеялись разгадать тайну генов с помощью репродуктивной системы фагов. Сначала эта задача казалась им простой, но шли годы, опыт следовал за опытом, а они так и не приблизились к ответу.

До начала 1940-х годов ученые вроде Дельбрюка и Лурии считали вирусы простыми организмами. У них не было оснований думать иначе, так как большая часть вирусов настолько мала, что их не удавалось детально рассмотреть в обычный оптический микроскоп. Вирусы даже сравнивали с молекулами белка. Лурия, ошибочно упрощая ситуацию, определял вирусы как продолжения бактериального генома. Но после того как немецкая компания Siemens изобрела электронный микроскоп, ученый мир впервые смог увидеть даже мельчайшие вирусы (в том числе бактериофаги). Тут же стало видно, что они гораздо сложнее, чем изначально предполагали Лурия и Дельбрюк.

Многие фаги имеют цилиндрическую головку, под которой расположен узкий хвост такой же длины. Хвост заканчивается базальной пластинкой, к которой прикреплены волокна (фибриллы). Теперь, когда Дельбрюк и Лурия могли визуализировать процесс инфицирования бактерий-носителей, нечто показалось им странным. Вирусы не проходили через клеточную стенку бактерий. Судя по всему, они прикреплялись к ней и впрыскивали внутрь клетки свой генетический материал. В 1951 году исследователь фагов Роджер Хэрриотт писал Херши: «Я представляю себе вирус как небольшой шприц, наполненный трансформирующим агентом». На основании этого описания Херши и Чейз провели собственный эксперимент и подтвердили, что все происходит именно так. Вирус действительно ведет себя как шприц: хвост и длинные фибриллы прикрепляются к стенке бактерии, и фаг вводит через нее свою ДНК, захватывая под контроль генетические механизмы бактерии. Геном вируса заставляет бактериальный геном создавать материал, необходимый для строительства дочерних вирусов. В результате инфицированная клетка становится чем-то вроде фабрики по их производству.

Благодаря этому открытию (а также его распространению на микробиологию и генетику) группа ученых (Дельбрюк, Лурия и Херши) получила в 1969 году Нобелевскую премию.

Но вернемся в 1947 год. Неуемная энергия и харизма Лурии и гений Дельбрюка оказали огромное влияние на юного Уотсона после его прибытия в Университет Индианы. Он все еще был захвачен тайной гена и надеялся, что сможет раскрыть ее, не прибегая к помощи физики или химии.

Из содержания бесед между Лурией и Уотсоном следует, что в Блумингтоне знали об открытии ДНК Эвери. Лурия встречался с ним в 1943 году, еще до публикации главной работы, и имел возможность подробно обсудить ее результаты. Он описывал Уотсону Эвери как очень скромного ученого, точно выражавшего свои мысли и любившего во время разговора закрывать глаза и почесывать лысую голову. «Он выглядел как химик, хотя на самом деле был доктором медицины», – добавлял Лурия. Позднее в «Двойной спирали» Уотсон писал, что Эвери выделил чистую молекулу ДНК и продемонстрировал, как наследственные признаки могут передаваться от одной бактериальной клетки к другой. Учитывая, что ученым было известно о присутствии ДНК в хромосомах всех типов живых клеток, «эксперименты Эвери показывали, что… все гены должны состоять из ДНК».