2.9. Ученые разгадывают ребус: расшифровка генетического кода
После первых успехов в изучении структуры ДНК ученые не собирались почивать на лаврах. Да, им удалось доказать, что именно ДНК несет основную генетическую информацию и дает «команду» белкам начинать работу. В 1958 г. Фрэнсис Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: информация передается от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. ДНК можно сравнить с матрицей, неким банком данных, который должен доставить информацию к запасам строительного материала – белкам. РНК играет роль носителя информации, природной флешки, которая копирует часть ДНК и несет информацию дальше. И только после вмешательства РНК белок приступает к творчеству. Как будто бы простая схема. Но как конкретно происходит передача информации? Ведь, как мы говорили, ДНК состоит из четырех видов нуклеотидов. Белки, к которым передается информация, построены из 20 видов аминокислот. Так каким же образом на основании обработки нуклеотидов получаются белковые композиции? Каким образом разнородные элементы «понимают» друг друга? Как белки узнают, что они должны начать действовать определенным образом? Видимо, существует некий генетический код?
Собственно, что такое код, или шифр? Это способ заменить одну систему знаков другой. Например, узники в соседних камерах могли перестукиваться друг с другом, заменяя каждую букву алфавита особым сочетанием «стуков». В приключенческих романах герои, закопавшие в землю сокровища, записывали информацию о местонахождении клада при помощи шифра, чтобы жадные до чужого добра люди не смогли до него добраться. В случае с ДНК код необходим потому, что информация передается между двумя разнородными элементами. Нужно считать ее с нуклеинов и передать белкам. Соответственно, генетический код – это особая система записи информации, которая позволяет на основе нуклеиновых кислот выстроить последовательность аминокислот в белке. Другими словами, генетический код – это соответствие между составляющими частями ДНК и последовательностью аминокислотных остатков в белке.
Сразу после прочтения структуры ДНК исследователи начали работу над расшифровкой генетического кода. То есть, ЧТО происходит – им было более-менее ясно. Оставалось выяснить – КАК.
Впервые проблема генетического кода (и один из вариантов ее разрешения) была сформулирована физиком Джорджем (Георгием) Гамовым (1904–1968 гг.), нашим бывшим соотечественником, в 1930-е гг. эмигрировавшим в США. Исходя из того, что ДНК состоит из 4 видов нуклеотидов, а белки построены из 20 аминокислот, он вполне логично заявил: одному нуклеотиду должны соответствовать несколько аминокислот. Но сколько? Если две, то из четырех букв, обозначающих нуклеотиды, мы можем составить только 8 двухбуквенных комбинаций: AA, AG, AC, AT, GG, GC, GT, CC, CT, ТТ. Получается опять же несоответствие: на 20 аминокислот 8 комбинаций нуклеотидов. И только трехбуквенные комбинации обеспечили равновесие. Правда, если комбинировать нуклеотиды по 3, то получится целых 64 варианта (триплета). Такие трехбуквенные обозначения сочетаний нуклеотидов назвали кодонами. Именно три нуклеотида составляют код, означающий ту или иную аминокислоту белка.
Возможно, у вас возник вопрос: каким образом 64 возможных комбинации кодируют 20 аминокислот? Не создается ли неразбериха, не получается ли так, что одна аминокислота получит разом несколько несочетающихся команд? Нет, не получается. Несколько разных кодонов могут подавать одинаковые сигналы одной и той же аминокислоте. Здесь можно провести такую аналогию: передавая партнерам по работе какую-то важную информацию, вы для надежности отправляете не одно письмо, а несколько! Некоторые кодоны вообще не предназначены для передачи команд белкам – они играют роль красных флажков, сообщая в нужный момент, что передача информации завершена.
Выдвинув теорию о триплетном кодировании, Гамов предложил схему передачи информации, считая, что, возможно, сборка белка начинается непосредственно на спирали ДНК. Впоследствии эта версия была признана ошибочной.
В 1961 г. была экспериментально доказана теория триплетного кодирования. Сделал это уже известный вам Фрэнсис Крик и его сотрудники. В том же году были проведены исследования, результатом которых стала расшифровка генетического кода. Для этого ученые Маршалл Ниренберг (1927–2010 гг.) и Дж. Генрих Маттеи (1929 г. р.), пошли в буквальном смысле «от противного». Дело в том, что в 1960-е гг. читать последовательности белков биологи уже научились, но считывать информацию с цепочек ДНК и РНК еще не умели. Велись только опыты по созданию искусственных РНК. Поэтому Ниренберг и Маттеи придумали такой ход: они решили предложить клетке готовую последовательность нуклеотидов с тем, чтобы она сама распознала ее и передала сигнал белку. Таким образом будут активизированы определенные аминокислоты. А так как работа с белками и их составляющими уже не представляла особой сложности, то можно было определить, какие нуклеотиды (вернее, кодоны) соответствуют определенным белкам. Вскоре были получены первые результаты, которые Ниренберг и Маттеи в августе 1961 г. представили в работе «Зависимость бесклеточного синтеза белка в Е. Coli от происхождения природного или синтетического полирибонуклеотидов».
После этого они продолжили опыты по установлению связей между белками и кодонами. Большой вклад в эту работу внесли Роберт Холли (1922–1993 гг.) и Хар Гобинд Корана (1922–2011 гг.). Последний в 1965 г. представил результаты своих опытов по синтезу фрагментов РНК – сейчас результаты его разработок широко используются в микробиологии. К 1967 г. работа по расшифровке генетического кода была завершена. Вся эта грандиозная работа теперь представлена в виде небольшой таблицы соответствий кодонов и аминокислот.
В чем значимость этого открытия? Дело в том, что генетический код един для всех организмов, населяющих землю. Если внедрить ДНК одного существа в клетку другого, она будет понята, прочитана и включится в работу! Но ведь на планете живут тысячи, миллионы видов и подвидов живых существ! Почему же у них обнаруживается сходство на микроскопическом уровне? Согласно популярной версии, в ходе эволюции все они произошли от общего предка – этим и объясняется столь удивительный факт.
Исследования по расшифровке генетического кода были высоко оценены: в 1968 г. Маршалл Ниренберг, Роберт Холли и Хар Гобинд Корана получили Нобелевскую премию «за расшифровку генетического кода и его роли в синтезе белков».
2.10. Генетическая инженерия и клонирование: природа подвластна человеку
Наверное, излишне говорить о том, какие перспективы рисовали перед человечеством открытие структуры ДНК, расшифровка генетического кода, возможность синтезировать РНК и так далее. Начиная с 1960-х гг. писатели-фантасты (да и сами ученые) изощрялись в прогнозах: создание фантастических существ, обезвреживание вирусов, программирование урожайности и внешнего вида растений по желанию селекционера! Но чем глубже исследователи внедрялись в секреты генетики, тем громче звучали голоса противников чрезмерного вмешательства в тайны природы. Многие из них объясняли свой протест религиозными мотивами: мол, негоже человеку корректировать божественный замысел.
