Краткая история науки - Уильям Байнум

Понимая то, как функционирует ДНК, ученые смогли разобраться с тем, что видел Морган в своей мушиной комнате. Морган наблюдал за видимыми характеристиками живых организмов, в его случае это были нормальные дрозофилы с белыми глазами и мутанты с красными.

Подобный набор видимых черт называют фенотипом.

Но после новых открытий ученые могли работать на более тонком уровне, на уровне генов, иметь дело с генотипом.

Открытие структуры ДНК стало поворотным пунктом в истории современной биологии. Оно показало, что биологи могут разбирать свой предмет в терминах молекул, ранее бывших в употреблении лишь у химиков.

И на некоторое время подобные исследования вошли в моду.

Более поздние работы показали, что аминокислоты и протеины формируются в цитоплазме клетки – жидкости, в которой плавает ядро. В процессе изучения того, как действует эта крохотная фабрика, была открыта РНК, рибонуклеиновая кислота. В чем-то она похожа на ДНК, но у нее только одна прядь, а не две, и формирует ее другой углевод. РНК играет важную роль в передаче информации от ДНК в ядре клетки к протеиновой «фабрике» в цитоплазме.

Молекулярные биологи изменили наше понимание того, откуда возникают болезни. Они открыли, как протеины вроде гормона инсулина выполняют свою работу, регулируя уровень сахара в крови. Они помогли лучше понять наиболее пугающую из болезней нашего времени, а именно рак.

Хотя любой вид рака может дать метастазы по всему организму, он всегда начинается с единственной мутировавшей клетки, которая ведет себя неправильно и не перестает делиться, когда надо. Подобные клетки очень «прожорливы», они используют питательные вещества организма, и если одна из них попадает в жизненно важный орган, то рак нарушает его функции и ведет к болезни.

Разобраться с тем, как это происходит на молекулярном уровне – крайне важно для того, чтобы изготовить лекарства, способные замедлить процесс или даже остановить его.

Изучение подобных преобразований сложно в случае с такими большими, хитро устроенными животными, как люди, так что молекулярные биологи большей частью работают с более простыми организмами. Значительная часть ранних исследований по поводу функционирования ДНК и РНК была проведена на бактериях, а для определения свойств рака используют мышей. Перенести на людей находки, сделанные на материале других существ, не всегда просто, но именно такой способ принят в современной науке: от более простого к сложному.

Этот метод помог нам понять процессы, которые двигают вперед эволюцию уже миллионы лет, догадаться, что ДНК – та самая молекула, которая контролирует наше предназначение.

У человека примерно 22 000 генов (точное число все еще продолжают определять). Как мы смогли это узнать?

Только благодаря тому, что ученые в лабораториях по всему миру совместно работают над Проектом генома человека. Огромный амбициозный замысел подсчитать наши гены, используя последовательность ДНК, и ответить на все остающиеся вопросы замаячил впереди после того, как Крик и Уотсон открыли структуру ДНК. «Последовательность» в данном случае обозначает позицию в хромосоме каждой из трех миллионов базовых пар молекул, из которых составлен наш геном.

Это колоссальное количество молекул аденина и тимина, цитозина и гуанина, вплетенных в двойную спираль, находящуюся в ядре каждой из наших клеток.

Если открытие ДНК дало нам «секрет жизни», то Проект генома человека позволяет нам прочесть «книгу жизни». Узнать, каков этот геном, за что отвечает каждый ген, от цвета волос до формы пальца на ноге. А также о многих вещах, которые не так легко увидеть: Инструкции для единственной оплодотворенной клетки разделиться на две, потом на четыре и затем продолжать, пока не получится сформированный ребенок в матке. О контроле биологических программ в клетках, которые производят протеины вроде того же инсулина, чтобы регулировать уровень сахара в крови. Об управлении программами для химикалий в мозгу, переносящих послания от одного нерва к другому.

Проект генома человека стартовал в 1990 году, и предполагалось, что он будет завершен в 2005-м. Но пятью годами ранее, 26 июня 2000 года случилась необычная вещь, настоящий научный спектакль. Под громкие фанфары, в лучах телевизионных камер президент США и премьер-министр Великобритании объявили, что первый набросок проекта завершен. Политиков в этот момент сопровождали ученые, собственно делавшие работу, но присутствие мировых лидеров показывало, насколько большое значение придается геному человека.

Понадобилось еще три года (до 2003-го), чтобы создать новую, лучшую версию этой книги жизни, заполнить особенно большие бреши и исправить ошибки. И даже в этом случае удалось завершить дело на два года раньше, большей частью потому, что методы и технологии стремительно эволюционировали, особенно все, связанное с компьютерами.

Проект генома человека был бы невозможен без десятилетий исследований, последовавших за открытием ДНК. После прорыва Крика и Уотсона в 1953-м самой важной вещью стало «клонировать» нити ДНК, получить больше копий той части молекулы, которую вы хотели изучать. В 1960-х молекулярные биологи обнаружили, что это можно сделать с помощью энзимов и бактерий.

Энзимы – это протеины, которые в зависимости от их индивидуальной структуры могут делать великое множество вещей. В опытах их применяли для выполнения естественной энзимной задачи: разрезать ДНК на маленькие кусочки.

Затем эти кусочки особым образом помещали внутрь бактерий.

Бактерии размножаются очень быстро, и по мере того, как модифицированная бактерия создает свои копии, она создает и копии вставленной в нее секции ДНК. Эти копии, или клоны, затем можно преспокойно извлечь и использовать для дальнейших исследований. Процесс вызвал немалое воодушевление, но это оказалось только начало.

Целые клетки могут быть клонированы точно так же, как и кусочки ДНК, овца Долли оказалась первым млекопитающим, клонированным с помощью клетки взрослого животного (она появилась на свет в 1996-м и умерла 2003-м). Техники клонирования продолжают развиваться, и по сей день остаются одной из передовых областей молекулярной биологии.

После того как ученые получили большое количество «отрезков» ДНК для экспериментов, они взялись за проблему последовательности ДНК, попытались раскрыть порядок базовых пар в молекуле. Этой работой занялся молекулярный биолог из Кембриджа (Англия) Фредерик Сенгер (1918–2013). Он уже получал Нобелевскую премию в 1958 году за открытие порядка аминокислот инсулина.

Одно из важнейших отличий между аминокислотами и ДНК состоит в том, что молекула ДНК намного длиннее и в ней находится намного большее число базовых пар, чем аминокислот в протеинах. И в то же время аминокислоты менее похожи одна на другую, а базы ДНК большей частью напоминают друг друга, и это усложняет задачу их сортировки.