Синдром Паганини и другие правдивые истории о гениальности, записанные в нашем генетическом коде
Шрифт:
В этой лаборатории, бывшей кухне в подвале замка города Тюбинген (Германия), Фридрих Мишер (фото вверху слева) открыл ДНК (фото из архива библиотеки Тюбингенского университета)
Для изучения клеточных ядер Мишеру постоянно требовались свежие лейкоциты, поэтому он наладил связи с местной больницей. Больница была открыта для ухода за ветеранами, которые перенесли тяжелейшие операции по ампутации конечностей еще на полях сражений или страдали от последствий менее серьезных ран. Однако в клинике постоянно находились обычные тяжело больные пациенты, и каждый день больничный санитар доставлял пропитанные гноем пожелтевшие бинты в лабораторию Мишера. На открытом воздухе гной обычно превращается в слизь со специфическим зловонным запахом, поэтому Мишеру приходилось проверять запах каждого бинта и выбрасывать ткань, издающую гнилостный запах (за время доставки большинство бинтов обычно было уже «испорчено»). Немногочисленные же бинты без запаха, на которых гной оставался
Стремясь произвести впечатление (а на самом деле ставя под сомнение свой исследовательский талант), Мишер с большим энтузиазмом приступил к изучению ядра. Он работал так усердно, словно его усердие компенсировало тяжелые условия его исследований. Один из коллег позже вспоминал, что Мишер работал так, «словно в него вселился демон». Ежедневно ученый имел дело со всевозможными веществами, и без присущей ему одержимости он вряд ли совершил бы свое главное открытие, поскольку основное вещество – таинственная составляющая клеточного ядра – оказалось едва уловимым. Сначала Мишер промывал бесценный для него гной в теплом спирте, а затем в кислотной вытяжке из желудка свиньи, чтобы растворить клеточные мембраны. В результате этой процедуры ему удалось выделить из ядра серое пастообразное вещество. Предположив, что это белок, ученый стал исследовать его свойства. Выяснилось, что для неизвестного вещества не характерна усваиваемость, типичная для белков. Кроме того, открытое Мишером вещество, в отличие от белков, не расщеплялось в соленой воде, кипящем уксусе и разбавленной соляной кислоте. Тогда химик применил один из самых легких способов узнать состав вещества – жег его до тех пор, пока оно не разложилось на составные компоненты. Среди них предсказуемо оказались углерод, водород, кислород и азот, но тот факт, что вещество на 3 % состоит из фосфора, стал еще одним доказательством небелковой природы открытого соединения. Мишер был убежден, что обнаружил уникальное вещество; он назвал это вещество «нуклеином», а через много лет ученые дали ему другое название – дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК.
После года тщательных исследований, осенью 1969-го, Мишер стоял у входа в бывшую королевскую прачечную – лабораторию Гоппе-Зейлера, готовый поделиться открытием со своим старшим коллегой. Пожилой ученый отнесся к открытию без особого энтузиазма: подняв брови и сморщив лоб, он высказал сомнения в том, что в состав ядра входит некое особое, небелковое вещество. Мишер наверняка допустил ошибку в исследованиях. Молодой ученый пытался возражать, однако Гоппе-Зейлер настоял на проведении повторных экспериментов – прежде чем опубликовать результаты своей работы, Мишеру предстояло пройти весь путь заново, шаг за шагом, бинт за бинтом. Снисходительность Гоппе-Зейлера нисколько не убавила уверенности Мишера в значимости своего открытия, и он без спешки приступил к тщательной проверке результатов. И даже после двух лет упорного труда, которые только подтвердили догадки молодого ученого, Гоппе-Зейлер согласился на публикацию Мишера только в сопровождении введения от своего имени. Во введении Гоппе-Зейлер уклончиво хвалил Мишера за то, что он «расширил наши представления… о составе гноя». Как бы то ни было, работа была опубликована в 1871 году, и благодаря ей Мишер справедливо считается первооткрывателем ДНК.
Вскоре после публикации Мишера были сделаны новые открытия, пролившие свет на загадку молекулы клеточного ядра. Так, протеже Гоппе-Зейлера установил, что в состав нуклеина входят молекулы нескольких типов: фосфаты, сахара (или дезоксирибозы), а также четыре типа кольцевидных соединений, получивших название азотистых оснований – аденин, цитозин, гуанин и тимин. Оставалось неясным, какие связи заставляют эти составные части складываться в одну молекулу. Именно эта неясность долгое время поддерживала мнение о странности и непостижимости неоднородной структуры ДНК. (В настоящее время ученым известно, как все эти компоненты соотносятся друг с другом в составе ДНК. Молекула ДНК образует двойную спираль, которая напоминает веревочную лестницу, скрученную в штопор. Остов каждой из цепей спирали – опорные канаты воображаемой лестницы – состоит из чередующихся фосфатов и сахаров. Перекладины лестницы – самые важные части молекулы – представляют из себя цепочки из соединенных между собой двух нуклеиновых оснований. Основания связываются между собой строго определенным образом: аденин (А) образует связи только с тимином (Т), а цитозин (Ц) только с гуанином (Г). Чтобы учащиеся не путали связи между азотистыми основаниями, им предлагается такой мнемонический прием: запомнить пары слов Ананас – Тарелка (А – Т) и Цыпленок – Гнездо (Ц – Г).)
Тем временем другие открытия лишь подкрепляли репутацию ДНК как интереснейшего вещества. Во второй половине XIX века ученые обнаружили, что при делении клетки количество хромосом удваивается, и в каждой из двух новых клеток сохраняется их исходное количество. Это натолкнуло ученых на мысль о большой значимости хромосом – в противном случае клетки не стали бы так беспокоиться и удваивать их количество. Позже другие исследователи выяснили, что хромосомы передаются от родителей ребенку в неизменном виде. Еще один выдающийся немецкий химик установил, что хромосомы почти полностью состоят именно из ДНК. Оставалось взглянуть на это блестящее созвездие открытий хотя бы с малой толикой воображения, и из маленьких кусочков сложилась бы большая картина. Эту картину удалось сложить совсем небольшой группе ученых, которые благодаря всем перечисленным выше открытиям догадались, что ДНК играет ключевую роль в передаче наследственной информации. Загадочный нуклеин притягивал все больше внимания.
Мишеру, прямо скажем, очень повезло, что нуклеин вдруг стал объектом пристального внимания ученых – когда он сосредоточился на исследовании неизвестного и непонятного вещества, его карьерный рост приостановился. Поработав в Тюбингене, он вернулся в родной Базель, но руководство университета, куда он устроился работать, не выделило ему отдельной лаборатории. Его рабочее место находилось в углу помещения, которое он делил с другими сотрудниками. Химический анализ веществ ученый был вынужден проводить в старом коридоре (оказалось, что замковая кухня не лучшее место для химической лаборатории). Кроме того, теперь он должен был заниматься преподаванием.
Оправдывая слова одного наблюдателя, который назвал ученого «поклонником малоприятных выделений организма», Мишер продолжил изучать ДНК, но теперь источником нуклеина для него служил не гной, а сперма. Половые клетки, содержащиеся в сперме, напоминали нуклеиновые снаряды – ДНК в них было предостаточно, а ненужной для исследований цитоплазмы гораздо меньше. Кроме того, Мишер нашел удобный источник ДНК: он проводил исследования на сперме лосося, которым Рейн, протекавший неподалеку от университета, просто кишел, особенно осенью и зимой. В период нереста яички лосося сильно набухают, увеличиваясь в размере в 20 раз по сравнению с обычным периодом (яичко лосося в период нереста может весить до 0,5 кг). Наловить рыбы для исследований не составляло никакого труда: при желании Мишер мог бы протянуть леску в Рейн прямо из окна лаборатории. Из каждого яичка рейнского лосося ученый высвобождал миллионы озадаченных крошечных пловцов. Единственный недостаток работы с таким материалом заключался в том, что сперма лосося начинает разлагаться при более-менее комфортной для человека температуре. Мишер приходил на рабочее место в холодные предрассветные часы, раскрывал настежь окна лаборатории, пока температура в помещении не падала примерно до 2 °С – только тогда можно было приступать к работе. Еще одно неудобство было связано с тем, что Мишер иногда разбивал лабораторную посуду, а поскольку он был совсем не богат, то не мог покупать новые стеклянные изделия, необходимые для опытов. Чтобы закончить исследования, он потихоньку уносил из дома в лабораторию изделия из фарфорового сервиза своей любимой женушки.
Исследования спермы лосося, проводимые Мишером, а также результаты работы его коллег, которые изучали состав других клеток, помогли ученому прийти к выводу о том, что все клеточные ядра содержат ДНК. Мишер даже предложил новое определение клеточных ядер, сильно различающихся по форме и размеру – «структурный компонент клетки, содержащий нуклеин (ДНК)». И хотя ученого совсем не волновала собственная репутация, это смелое предложение могло бы нанести по ней последний сокрушительный удар. Если бы оказалось, что ДНК не играет никакой значимой роли в организме человека, Мишер, по крайней мере, остался бы первооткрывателем состава загадочного ядра. Но, как вы понимаете, ДНК никак не могла оказаться незначимой. Несмотря на то, что Мишер во многом был прав в своем определении ядра, другие ученые скептически отнеслись к его откровенно преждевременному предложению. Его современникам не хватало доказательств. И если ученые все же согласились бы с предложенным определением ядра, они ни за что не поддержали бы его очередное, еще более смелое предположение о важной роли ДНК в передаче наследственной информации. Их скептицизм подкреплял тот факт, что Мишер понятия не имел о том, каким образом ДНК передает наследственную информацию. Как и многие ученые того времени, Мишер сомневался, что сперматозоид передает что бы то ни было яйцеклетке: он предполагал (и в подобных предположениях слышатся отголоски представлений о гомункулах), что в яйцеклетке изначально содержатся все элементы, необходимые для развития новой жизни. Он, скорее, считал, что нуклеин, содержащийся в сперме, действовал как своего рода химический дефибриллятор, запускающий работу яйцеклетки. К сожалению, у Мишера не было времени на дальнейшие исследования, которые подтвердили бы его правоту. Он должен был вернуться к преподаванию. Кроме того, по поручению швейцарского правительства Мишеру пришлось выполнять «неблагодарную и скучную» работу – готовить доклады о качестве питания в тюрьмах и начальных школах. Несколько лет (а точнее – суровых швейцарских зим) работы в лаборатории при открытых окнах пагубно сказались на его здоровье: Мишер ослаб и заболел туберкулезом. В конце концов, он отказался от исследования ДНК.
Тем временем в умах других ученых сомнения относительно значимости ДНК только крепли, перерастая в агрессивное неприятие идеи. Снижению интереса к ДНК способствовало новое открытие: состав ДНК ограничивается фосфатами, сахарами и основаниями А, Г, Ц, Т, а вот в хромосомах есть кое-что поинтереснее. Оказалось, что хромосомы содержат белковые цепочки, которые гораздо больше подходили на роль ключа к разгадке химического механизма наследственности. Дело в том, что хромосомные белки состоят из двадцати разных элементов – аминокислот. Каждый из этих элементов мог бы служить отдельной «буковкой» для написания химического кода. Казалось, из этих «букв» можно было составлять бесконечное количество «текстов», что объяснило бы удивительное многообразие самой жизни. По сравнению с этим открытием, структурные элементы ДНК – А, Г, Ц и Т – казались до уныния простыми, словно четырехбуквенный алфавит пиджина с минимальными выразительными возможностями. Многие ученые решили, что функции ДНК сводятся лишь к хранению фосфора, необходимого для жизнедеятельности клетки.
К сожалению, даже сам Мишер начал сомневаться в том, что ДНК содержит достаточное количество элементов для кодирования информации. Он также стал задумываться о роли белков в передаче наследственной информации и предположил, что белки кодируют информацию боковыми ответвлениями собственных молекул, располагающимися под разными углами (действуя, как своего рода химический семафор). Тем не менее оставался неясным важный вопрос: каким образом сперматозоиды передают эту информацию яйцеклетке. Мишер был в замешательстве. В конце жизни он снова обратился к ДНК и продолжал настаивать на том, что именно это вещество является важнейшим механизмом наследования информации. Однако его исследования почти прекратились: он был вынужден все больше времени проводить в альпийских санаториях для больных туберкулезом. Находясь в шаге от разгадки одной из величайших тайн жизни, в 1895 году Мишер слег с воспалением легких и вскоре скончался.