Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

Таким образом, общий план устройства живых организмов представлялся практически очевидным. Каждый ген задает определенный белок. Одни из этих белков используются для образования тканей или передачи сигналов, тогда как многие другие служат катализаторами, определяющими, какие химические реакции должны или не должны происходить в каждой клетке. Почти любая клетка нашего тела содержит полный набор генов, и эта химическая программа задает каждой клетке характер обмена веществ, роста и взаимодействия с соседними клетками. Вооруженный всеми этими новыми (лично для меня) знаниями, я быстро сообразил, в чем главные вопросы. Из чего состоят гены? Как именно они воспроизводятся? И как они управляют синтезом белков или хотя бы влияют на него?

На тот момент уже было известно, что гены в клетке располагаются в основном в хромосомах и что хромосомы, вероятно, состоят из нуклеопротеина, то есть комбинации белка и ДНК, в которую, возможно, входит и доля РНК. В начале сороковых ошибочно полагали, что молекулы ДНК небольшие и – что было совсем уж ошибочно – простые. Феб Левин, ведущий специалист по нуклеиновым кислотам в тридцатые годы, предполагал, что у них регулярная повторяющаяся структура [т. н. тетрануклеотидная гипотеза]. Это оставляло мало места для мысли, что они могут быть прямыми носителями генетической информации. Ученые не сомневались, что, коль скоро у генов такие поразительные свойства, они должны состоять из белков, поскольку поразительные возможности белков как класса молекул уже были известны. Возможно, ДНК несла какую-то вспомогательную функцию, например, служила фундаментом для более сложных белков.

Было также известно, что каждый белок – полимер, то есть представляет собой длинную цепочку, называемую полипептидной цепью. Она образуется путем связывания – концом к концу – небольших органических молекул, которые называются мономерами, потому что они служат составными частями полимера. В гомополимере, таком как нейлон, все мономеры обычно одинаковы. Но белки не так просты. Каждый белок – гетерополимер, цепочки которого образованы набором нескольких различающихся молекул меньшего размера, в данном случае – аминокислот. Как суммарный итог, каждая полипептидная цепь с химической точки зрения обладает идеально правильным остовом, к которому через регулярные промежутки прикрепляются малые боковые цепочки. Считалось, что существует около двадцати возможных вариантов боковых цепочек (точное количество на тот момент было неизвестно). Аминокислоты, то есть мономеры, подобны литерам в типографском наборе. Основание каждой литеры из набора всегда одинаково, так что его можно вставить в желобки печатной формы, но верхняя сторона каждой литеры различна, чтобы с нее можно было напечатать ту или иную букву. Каждый белок состоит из уникального числа аминокислот, обычно из нескольких сотен, так что любой белок можно представить себе в грубом приближении как абзац текста, написанного на особом языке, в котором имеется около двадцати химических «букв». Тогда еще не знали достоверно того, что установлено в наши дни, – что для синтеза каждого белка «буквы» должны располагаться в определенном порядке (как, разумеется, и буквы в тексте). Немного позже это доказал биохимик Фред Сэнгер, но догадаться об этом было достаточно легко и так.

Разумеется, в нашем языке каждый абзац на самом деле – одна длинная цепочка букв. Для удобства мы разбиваем его на строки, записанные друг под другом, но это имеет второстепенное значение, поскольку смысл текста не зависит от того, длинные строки или короткие, мало их или много, при условии, что мы не обрываем их на полуслове[15]. О белках же было известно, что они ведут себя совершенно по-другому. Хотя полипептидный остов имеет регулярную химическую структуру, в нем есть гибкие звенья, так что теоретически это допускает множество разнообразных трехмерных форм. Однако у каждого белка как будто была своя определенная форма, и во многих случаях об этой форме было известно, что она довольно компактна (такая структура называется глобулярной), а не вытянута в длину (фибриллярная структура). Были получены кристаллы ряда белков, а для этих кристаллов – развернутые картины дифракции в рентгеновских лучах, указывавшей на то, что трехмерная структура каждой молекулы данного белка была одинаковой (или почти одинаковой). Более того, многие белки, если их на короткое время нагреть до точки кипения воды или даже ниже этой температуры, денатурировались, как если бы они раскручивались и их трехмерная структура частично разрушалась. В таком случае денатурированный белок, как правило, терял свою каталитическую или иную функцию, и это давало немалые основания предполагать, что функция подобного белка зависит от его точной пространственной конфигурации.

А теперь можно перейти к непостижимой тайне, с которой, казалось, мы столкнулись. Если гены состоят из белка, то, по-видимому, каждый ген должен иметь особую трехмерную, достаточно компактную структуру. Далее, жизненно важное свойство гена – способность точно копироваться из поколения в поколение, лишь изредка допуская ошибки. Мы пытались понять природу этого копировального механизма. Очевидный метод копирования чего-либо – изготовление комплементарной структуры, формы, в которой затем отливается следующая комплементарная структура, и таким образом получается точная копия оригинала. Ведь именно так, в общем, делают копии скульптур. Но тогда вставал вопрос: таким способом нетрудно скопировать наружную поверхность трехмерной структуры, но как вообще возможно скопировать то, что внутри? Весь процесс представлялся настолько загадочным, что никто даже не знал, с какой стороны к нему подойти.

Разумеется, теперь мы знаем ответ, и все выглядит настолько самоочевидным, что в наши дни никто уже не помнит, насколько головоломной эта проблема казалась тогда. На тот случай, если вы не знаете ответа на вопрос, я предлагаю вам остановиться на мгновение и подумать, как можно на него ответить. На данном этапе вам не нужно утруждать себя тонкостями химии. Важен сам принцип идеи. Загадку лишь осложняло то, что многие свойства белков и генов, обозначенные выше, не были точно доказаны. Все они представлялись правдоподобными, а многие – даже весьма вероятными, но, как всегда происходит на передовых фронтах науки, ученых постоянно грызло сомнение, не могут ли одно или несколько из этих предположений оказаться ужасной ошибкой. В науке линия фронта чаще всего скрыта в тумане.

Так каков же ответ? Любопытным образом я додумался до верного решения еще до того, как мы с Джимом Уотсоном открыли двойную спиральную структуру ДНК. Основная мысль (не то чтобы совсем новая) заключалась в следующем: гену нужно всего-навсего расположить аминокислоты белка в правильной последовательности. Как только синтезируется нужная полипептидная цепь, со всеми боковыми цепочками в нужном порядке, белок, следуя законам химии, самостоятельно свернется нужным образом в уникальную трехмерную структуру. (Точная трехмерная структура каждого конкретного белка пока оставалась невыясненной.) Это смелое допущение переводило вопрос из трехмерного пространства в одномерное, и исходная проблема в основном снималась.