Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

чаяния 1950-х. Казалось, в этой молекуле кроются все задатки человеческого совершенства и уязвимости, и как только мы научимся управлять этим химическим соединением, мы перепишем нашу природу. Излечим болезни, изменим судьбы, перестроим будущее.

Модель ДНК Уотсона и Крика ознаменовала смену одной концепции гена – как таинственного гонца, передающего сообщения от поколения к поколению, – на другую: гена как химического вещества, молекулы, способной кодировать, хранить и передавать информацию от организма к организму. Если ключевым словом генетики начала XX века было сообщение, то в генетике конца этого века таким словом стал код. То, что гены передают сообщения, было совершенно ясно уже полвека. Вопрос был в том, смогут ли люди расшифровать собственный код?

«Неуловимый окаянный Пимпернель!»[526]

Молекула белка – это изобретенный природой инструмент, в котором простота строения служит великой изощренности и гибкости; молекулярную биологию невозможно увидеть под правильным углом, если не уяснить это своеобразное сочетание добродетелей.

Фрэнсис Крик[527]

Слово «код», как я уже писал, происходит от «кодекса» – куска древесины, на котором выцарапывали древние манускрипты. Впечатляет, что само это слово произошло от наименования материала для записи правил: форма стала функцией. Уотсон и Крик догадались, что в случае ДНК форма молекулы тоже должна быть глубинно связана с функцией. Генетический код должен быть органично вписан в материал ДНК – так же проникающе, как царапины внедрены в древесину.

Но что такое генетический код? Каким образом четыре основания в цепочке ДНК – А, Ц, Г, Т (или А, Ц, Г, У в РНК) – определяют структуру волос, цвет глаз у человека, тип оболочки у бактерии (и если уж на то пошло, семейную склонность к психической болезни или к смертельным кровотечениям)? Как менделевская абстрактная «единица наследственности» раскрывается в виде конкретного физического признака?

В 1941-м, за три года до знакового эксперимента Эвери[528], двое ученых, Джордж Бидл и Эдвард Лоури Тейтем, работая в подвале Стэнфордского университета, открыли недостающее звено между генами и физическими признаками. Бидл – или Битс[529], как его любили звать коллеги, – был студентом Томаса Моргана в Калтехе[530]. Красноглазые мушки и их белоглазые мутанты заставили Бидла задуматься. Битс понял, что «ген красноты» – это единица наследственной информации, переходящая от родителя к потомку в неделимой форме – форме гена – в составе хромосомной ДНК. Физическое свойство «краснота» – следствие накопления в глазах химического пигмента. Но как частица наследственности превращается в пигмент глаза? Какова связь между «геном красноты» и самой краснотой – между информацией и ее физическим, анатомическим выражением?

Плодовые мушки преобразовали генетику благодаря редким мутантам. Именно из-за своей редкости мутанты напоминали лампы в темноте: они позволяли биологам отслеживать, как выразился Морган, «действие гена» в поколениях[531]. Это «действие» – все еще туманное, мистическое понятие – заинтриговало Бидла. В конце 1930-х Бидл и Тейтем решили, что выделение реального пигмента из глаз дрозофил может вести к разгадке «действия генов». Но работа застопорилась: связь между генами и пигментами оказалась слишком сложной, чтобы породить рабочую гипотезу. В 1937-м в попытке связать ген с признаком они перешли на еще более простой организм – красную хлебную плесень Neurospora crassa, которую впервые обнаружили как загрязнителя выпечки в парижской пекарне.

Плесневые грибы, живущие на хлебе, – цепкие и агрессивные создания. Их можно выращивать на чашках Петри с богатой питательными веществами средой, но на самом деле им, чтобы выжить, много не надо. Одно за другим убирая из богатой среды питательные вещества, Бидл обнаружил, что штаммы нейроспоры жили даже на минимальной среде с добавлением всего двух компонентов – сахара и витамина под названием биотин. Очевидно, клетки плесени могли строить все молекулы, необходимые для выживания, из базовых веществ: липиды – из глюкозы, ДНК и РНК – из их химических предшественников, сложные углеводы – из простых сахаров. Настоящее чудо из «Чудесного хлеба»[532].

Бидл догадался, что эта способность обусловлена присутствием в клетках плесени ферментов – белков, работающих главными строителями и умеющих синтезировать сложные биологические макромолекулы из базовых предшественников. Чтобы хлебная плесень успешно росла на минимальной среде, все метаболические механизмы, все пути построения молекул должны работать нормально. Если мутация повредит хотя бы один из них, плесень не сможет расти, пока недостающий ингредиент не вернут в среду. Бидл и Тейтем, таким образом, могли использовать эту технологию для отслеживания отключения метаболических функций у каждого мутанта: если мутанту необходимо для роста на минимальной среде вещество X, это значит, что у него нет какого-то фермента для синтеза этого вещества с нуля. Этот подход был чрезвычайно трудоемким, но терпение оказалось тем достоинством, которого Бидлу было не занимать: однажды он полдня учил аспиранта мариновать стейк, добавляя строго по одной специи через строго определенные промежутки времени.

Эксперимент с «недостающим ингредиентом» подтолкнул Бидла и Тейтема к новому осмыслению генов. Они заметили, что у каждого мутанта нарушена какая-то одна метаболическая функция, связанная с активностью одного белка-фермента. А скрещивания показали, что каждый мутант дефектен по единственному гену.

Но если мутация нарушает функцию фермента, значит, нормальный ген должен нести информацию о производстве нормального фермента. Единица наследственности должна хранить код для реализации метаболической или клеточной функции, которую выполняет белок. «Можно представить это так, – писал Бидл в 1945 году. – Ген определяет итоговую конфигурацию[533] молекулы белка». Это было то самое «действие гена», суть которого пыталось раскрыть целое поколение биологов: это действие заключается в кодировании информации для построения белка, а белок реализует структуру или функцию организма[534].

Или в терминах потока информации:

За свое открытие Бидл и Тейтем в 1958 году получили Нобелевскую премию, но все еще оставался нерешенным важнейший вопрос, который поднял их эксперимент: каким образом ген кодирует информацию для построения белка? Белок составляется из 20 наименований простых веществ – аминокислот (метионина, глицина, лейцина и так далее), которые выстраиваются в цепочку. В отличие от цепочки ДНК, находящейся в клетке главным образом в форме двойной спирали, цепочка белка может по-разному изгибаться и сворачиваться в пространстве, как проволока, которой придают любую уникальную форму. Эта способность принимать специфическую форму позволяет белкам выполнять множество разных функций.

Одни из них могут существовать в виде длинных эластичных волокон в мышцах (миозин). Другие могут иметь форму шара и запускать химические реакции (ферменты вроде ДНК-полимеразы). Третьи – связываться с окрашенными веществами и служить пигментами глаза или цветка. Четвертые – сворачиваться наподобие