Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

Сидя в «Орле» и читая письмо Гамова, мы с Джимом сообразили, что так и не сосчитали точное количество типов аминокислот, присутствующих в белках. Оценить его напрямую было затруднительно, поскольку возможных аминокислот много, но в живых организмах встречаются лишь немногие из них, и то не все в белках. Специалисты по химии белков открыли свыше двадцати аминокислот в различных белках, но некоторые среди них, например, гидроксипролин, присутствовали лишь в одном-двух белках, а не в большинстве.

Гамов предложил собственную «волшебную двадцатку», но мы тут же заметили, что некоторые из его кандидатур неубедительны и что он, напротив, упустил кое-какие очевидные – например, аспарагин и глутамин. Прямо на месте мы составили собственный список. Не помню, разбирался ли Джим в тонкостях, но, к счастью, у меня на тот момент уже были обстоятельные познания во многом, что касалось структуры белков. Основная наша идея состояла в том, что аминокислоты, из которых предположительно состоят белки, следовало отнести либо к «стандартным», либо к «нестандартным». Всякая аминокислота, о которой было известно, что она встречается в широком спектре белков, включалась в набор стандартных. Аминокислоты, встречавшиеся в немногих и нетипичных белках, например, бромотирозин, мы зачисляли в нестандартные. Кроме того, мы исключали любые аминокислоты, которые, даже если встречались в составе полимеров клетки, до сих пор не были обнаружены в настоящих белках. К ним, например, относилась диаминопимелиновая кислота, присутствующая в клеточных стенках некоторых бактерий.

Мы не утверждали, что всякий белок должен включать все аминокислоты стандартного списка, поскольку в небольшой молекуле белка какая-либо из более редких аминокислот может отсутствовать просто по случайности – в силу того, что ее полипептидная цепочка состоит из малого числа аминокислот (например, в молекуле инсулина нет триптофана и метионина). К нашему удивлению, у нас получилось точно двадцать. Что замечательно, впоследствии наш список по существу подтвердился. Независимо от нас Дик Синг[33], один из изобретателей современной хроматографии, составил похожий список, но у него была одна лишняя «кандидатура» – цистин наравне с цистеином[34], что было явно неубедительно.

Стоит заметить, что все авторы учебников по биохимии предлагали списки гораздо длиннее. В начале столетия открытие каждой новой аминокислоты, встречающейся в белках, становилось событием. Те времена прошли, но романтика поиска все еще витала. Новая аминокислота, если ее присутствие в белках удавалось подтвердить экспериментально, все еще считалась важным открытием и заносилась в учебники. Мысль, что может существовать стандартный набор аминокислот, а все остальные – в некотором роде отклонения, была чужда большинству биохимиков, хотя некоторые специалисты по белкам, несомненно, ее допускали, пусть и не выражали вслух. Ныне известно, что механизм синтеза белков весьма специфичен и может работать лишь с ограниченным набором аминокислот. Прочие, «нестандартные», получаются главным образом из стандартных путем модификации в ходе дополнительных процессов после того, как полипептидная цепь уже синтезирована.

Это красивый пример природной сложности, порожденной естественным отбором. Он показывает, как легко впасть в заблуждение, если избрать чересчур прямолинейный подход к биологическому вопросу. Конечно, нам повезло, что мы угадали верный стандартный набор с первой попытки. Это была удачная догадка, которая нуждалась в подтверждении множеством дополнительных экспериментов. Хотя биохимикам потребовалось несколько лет для того, чтобы ее подтвердить, никто не усомнился по-настоящему, что наш список верен. Несмотря на то что некоторые данные получались противоречивыми, наш список выдержал испытание временем. Из него исключили только формилметионин, используемый для начала синтеза цепочки ДНК у прокариот, а этого предвидеть мы попросту не могли.

Не помню, приложил ли Гамов к первому письму рукопись статьи (наверное, он прислал ее позже), но когда мы получили экземпляр – он у меня где-то валяется до сих пор, – мы с удивлением обнаружили, что Гамов вписал своим соавтором Томкинса. Гамов был знаменит в качестве популяризатора науки, с немного чудаковатым уклоном. Мистер Томкинс, гамовский «маленький человек», – персонаж ряда его книг, обычно фигурирующий в заглавии (например, «Мистер Томкинс познает атом»). Увы, к моменту публикации статьи мифического мистера Томкинса изгнал суровый редактор.

«Код» Гамова был причудлив в нескольких отношениях. Каждая аминокислота кодировалась тройкой оснований (а точнее, несколькими тройками, связанными симметрией), но тройки, кодирующие последовательные аминокислоты, перекрывались. Например, если отрезок последовательности выглядел как …ГГAЦ…, то комбинация ГГA кодировала одну аминокислоту, а ГAЦ – следующую. Естественно, это накладывало ограничения на аминокислотную последовательность. Некоторые последовательности не могли быть закодированы таким способом. Это не было очевидно, поскольку Гамов не знал, какой из его триплетов какую аминокислоту кодирует. Вопрос оставался открытым и требовал экспериментального выяснения. В то время, хотя аминокислотный состав многих белков был уже установлен, по крайней мере приблизительно, последовательности были известны лишь фрагментарно (Фред Сэнгер еще не закончил работу над расшифровкой последовательности двух цепочек инсулина), так что данных для проверки теории Гамова было не слишком много.

У нас с Джимом имелся ряд возражений против идей Гамова. Мы сомневались, что выемки в молекуле ДНК годятся для осуществления подобной задачи. Нас смущали его постулаты о симметрии, и мы не одобряли идею, что ДНК напрямую кодирует белки. РНК казалась более вероятной кандидатурой, но, может быть, РНК была способна укладываться в структуру, образующую нужные впадины. Гамов неявно ввел одно ограничение, которое представлялось вполне естественным. Связанные в цепочку аминокислоты оказываются друг от друга на близком расстоянии – всего около 3,7 ангстрем (длина сильной связи между атомами обычно колеблется между 1 и 1,5 ангстремами). Однако комбинация из трех оснований намного длиннее. По этой причине перекрывающийся код, позволяющий сократить это расстояние, выглядел более правдоподобным, несмотря на ограничения, которые он накладывал на возможные аминокислотные последовательности.

Гамов внес и другой вклад. Мы осознали, что расшифровка кода может рассматриваться как абстрактная проблема, отвлеченная от реальных биохимических тонкостей. Возможно, изучая ограничения аминокислотных последовательностей по мере того, как они становятся известны, и наблюдая, как мутации влияют на ту или иную последовательность, можно взломать код без знания всех промежуточных биохимических ступеней. Такой подход представляется естественным физику, столкнувшемуся со сложностями химии и биохимии, хотя ради справедливости по отношению к Гамову нужно признать, что его идеи изначально основывались на нашей модели двойной спирали, а не на одних абстракциях.