ДНК. История генетической революции - Джеймс Д. Уотсон

Эти открытия позволили окончательно решить проблему «курицы и яйца», коренившуюся у истоков жизни. Доминировавшая точка зрения, согласно которой первые организмы были основаны на молекуле ДНК, столкнулась с очевидным противоречием: молекула ДНК не может собираться сама собой: для этого нужны белки! Что возникло раньше? Белки, не обладающие механизмом копирования информации, или ДНК, которая может копировать информацию, но лишь в присутствии белков? Проблема была неразрешима: считалось, что никакая ДНК без белков не получится, но белки не получатся без ДНК.

Однако РНК эквивалентна ДНК (эта молекула также может хранить и воспроизводить генетическую информацию), а также эквивалентна белкам (может катализировать критически важные химические реакции) – вот и ответ. На самом деле, в «мире РНК» проблема курицы и яйца снимается сама собой: РНК – это курица и яйцо одновременно.

РНК – это эволюционная реликвия. Справившись с той или иной проблемой, естественный отбор обычно придерживается найденного решения, фактически реализуя принцип: «пока не сломалось – не ремонтируем». Иными словами, при отсутствии селективного давления, провоцирующего изменения, клеточные системы не обогащаются никакими инновациями, поэтому несут в себе многочисленные отпечатки эволюционного прошлого. Процесс может протекать именно так, а не иначе именно потому, что данное решение было найдено раньше, а не потому, что оно является наилучшим и эффективным.

Первые двадцать лет после открытия двойной спирали были в молекулярной биологии очень плодотворными. Мы поняли базовые механизмы, лежащие в основе жизни, и даже осознали, как регулируется работа генов. Тем не менее на том этапе мы всего лишь наблюдали; мы были молекулярщиками-натуралистами, а клетка напоминала нам тропический лес. Мы описывали то, что видели вокруг. Но пришло время действовать. Довольно наблюдений: нас манила перспектива того, что вскоре мы сами сможем вмешаться и начнем манипулировать живыми существами. Все это стало реально с появлением технологий для работы с рекомбинантной ДНК, а затем и возможностей подгонки молекул ДНК под нужды человечества.

Лаборатория P4 – ультразащищенный комплекс, в котором ведутся биохимические исследования смертельно опасных организмов, например вируса лихорадки Эбола, а также разрабатывается биологическое оружие. В конце 1970-х годов в лаборатории P4 также работали ученые, исследовавшие человеческую ДНК методами генной инженерии

Молекула ДНК невероятно длинная. В любой хромосоме присутствует всего одна непрерывная двойная спираль ДНК. Когда требуется «популярно» объяснить масштабность этой молекулы, нуклеотидную наполненность ДНК сравнивают с количеством записей в телефонном справочнике Нью-Йорка или с длиной Дуная. Мне такие сравнения ни о чем не говорят – я не знаю, сколько номеров в телефонной книге Нью-Йорка, а Дунай ассоциируется у меня скорее с вальсами Штрауса, а не с какой-то линейной дистанцией.

Все человеческие хромосомы (кроме половых: X и Y) нумеруются в зависимости от размера. Хромосома 1 – самая крупная, а хромосомы 21 и 22 – мельчайшие. На хромосому 1 в каждой клетке приходится 8 % ДНК, примерно четверть миллиарда пар оснований. В хромосомах 21 и 22 содержится соответственно 48 и 51 миллион пар оснований. Даже в самых маленьких молекулах ДНК (у вирусов маленьких размеров) как минимум несколько тысяч пар оснований.

На заре молекулярной биологии огромные размеры молекулы ДНК представляли серьезную проблему. Чтобы разобраться с тем или иным геном, то есть конкретным отрезком ДНК, нужно было каким-то образом отделить его от всей остальной ДНК, которая простирается по обе стороны от этого гена. Но этим дело не ограничивалось: ген нужно было не только выделить, но и, так сказать, увеличить: получить настолько крупный фрагмент гена, чтобы с ним можно было работать. В сущности, нам требовался инструмент для молекулярного редактирования – пара молекулярных ножниц, которые позволяли бы кроить текст ДНК, получая удобоваримые фрагменты. Нужен был молекулярный клей, чтобы соединять полученные фрагменты, и, наконец, молекулярная «копировальная машина» для увеличения нарезанных и выделенных нами молекулярных фрагментов. Мы хотели делать примерно то, что сегодня позволяет делать современный текстовый редактор: вырезать, копировать и вставлять кусочки ДНК.

Разработка базовых инструментов для таких процедур казалась отчаянно сложной задачей даже после расшифровки генетического кода. Однако после ряда открытий, сделанных в конце 60-х – начале 70-х годов, для нас словно «звезды сошлись»: в 1973 году появилась так называемая технология рекомбинантных ДНК, что дало возможность редактировать ДНК. Это был не просто прорыв в методах молекулярной биологии. Ученые разом обрели инструмент для адаптации молекул ДНК к потребностям исследователя путем создания таких ДНК, которых никогда не существовало в природе. Мы смогли опробовать себя в роли Бога, экспериментируя с молекулярной основой самой жизни. Такая идея многим казалась некорректной. Так, всегда настороженный и остро реагирующий на любые новаторские идеи Джереми Рифкин, которому каждая новая генетическая технология казалась скользкой дорожкой к созданию монстра, наподобие Франкенштейна, очень верно отметил, что «технология рекомбинантной ДНК может поспорить по значимости с приручением огня».

Артур Корнберг первым «создал жизнь» в пробирке. Как мы уже знаем, в 1950-е годы он открыл ДНК-полимеразу, фермент, обеспечивающий репликацию ДНК и выстраивающий комплементарную копию из расплетенной исходной нити. Позже, работая с вирусной ДНК, он наконец смог осуществить репликацию всех 5300 пар оснований ДНК этого вируса. Однако полученный продукт не был «живым»: несмотря на то что последовательность оснований ДНК не отличалась от исходной, молекула была биологически инертна. Чего-то не хватало. Это недостающее звено удалось найти лишь в 1967 году, причем это одновременно сделали Мартин Геллерт из Национальных институтов здравоохранения и Боб Леман из Стэнфорда. Фермент назвали лигазой. Лигаза позволяет склеивать концевые участки молекул ДНК.

Артуру Корнбергу удалось реплицировать вирусную ДНК при помощи ДНК-полимеразы, а добавив фермент лигазу, он сформировал из ДНК непрерывный контур, как это и было устроено в «подопытном вирусе». Теперь «искусственная» вирусная ДНК вела себя точно так же, как и исходная вирусная: обычный вирус размножается в E. coli, и ДНК, выведенная Корнбергом in vitro, вела себя точно так же. Воспользовавшись лишь парой ферментов, простейшими химическими ингредиентами и вирусной ДНК, с которой была снята копия, Корнберг синтезировал биологически активную молекулу. Средства массовой информации тут же сообщили, что Корнберг создал «жизнь в пробирке», а президент Линдон Джонсон назвал этот прорыв «ошеломительным достижением».

Вклад Вернера Арбера в разработку технологии рекомбинантной ДНК, сделанный в 1960-е годы, был не столь предсказуемым. Швейцарский биохимик Вернер Арбер интересовался не грандиозными вопросами о молекулярной природе жизни, а загадочными аспектами эволюции вирусов. Он изучал процесс, в ходе которого некоторые вирусные ДНК деградировали после внедрения в бактериальные клетки. Некоторые клетки-хозяева (но не все – иначе вирусы не могли бы воспроизводиться) распознавали вирусные ДНК как чужеродные тела и избирательно атаковали их. Но как – и почему? Все ДНК в природе – это разновидности одной и той же молекулы, кому бы они ни принадлежали: бактериям, вирусам, растениям или животным. Почему бактерия не атакует собственную ДНК так же, как вирусную?