Взлет и падение Лысенко. История биологической дискуссии в СССР (1929-1966)
Шрифт:
Белки же создают признаки, создают процессы, создают то, что внешне проявляется как живое тело с присущими ему свойствами. Следовательно, ДНК — это и есть субстрат наследственности, это и есть материал, из которого строятся гены. Концепция, утверждавшая, что один ген отвечает за один признак, изменилась в биохимически более осязаемую: один ген — это участок молекулы ДНК, содержащий информацию для синтеза одного белка, верняЦ, для одного полипептидного фрагмента белка.
Механизм точной ауторепродукции генетического материала хромосом
Несмотря на убедительность этих открытий, несмотря на их воспроизводимость, и здесь оставалось зерно сомнения для тех, кто не верил в существование «наследственного вещества» — вещества, управляющего индивидуальным развитием и передающего от поколения к поколению всю характерную
Допустим, говорили такие скептики, что ДНК управляет синтезом белков. Но что управляет синтезом самих нуклеиновых кислот? Что определяет воспроизведение тонкой структуры и специфичности самой ДНК? Наверное, это делают какие-то особые белки, не может же ДНК сама себя воспроизводить. Однако и этот чисто полемический тезис оказался неверным. Сначала теоретически, а затем экспериментально было доказано, что молекулы ДНК действительно обладают способностью к саморепродукции. Эта саморепродукция ускоряется особым белком-ферментом, но действие фермента неспецифично, точность воспроизведения зависит от самой структуры ДНК. Природа кирпичиков-нуклеотидов, из которых состоит ДНК, такова, что они образуют между собой очень специфические пары соединений, и вся молекула ДНК создается из двух переплетающихся друг с другом цепочек, одну из которых можно сравнить с негативом, а другую с позитивом. Там, где у негатива темный участок, на позитиве он светлый, и наоборот. То же и в ДНК. Там, где на одной цепочке расположен, например, тимин, на другой стоит аденин, и там, где на первой стоит аденин — на другой может располагаться только тимин и ничто другое.
И так же, как при пропускании света через негативное изображение мы получаем позитив, через позитивную пленку — снова негатив, так и в ДНК разделение ее двойной спирали на «позитивную» и «негативную» приводит к тому, что возле «позитива» образуется «негатив», а возле «негатива» — «позитив», и получаются две идентичные молекулы. Этот процесс был не просто объяснен теоретически, он был воспроизведен в лаборатории. Искусственный синтез ДНК в лабораторных условиях полностью подтвердил теоретические модели. Открытие этого явления было, несомненно, величайшим достижением естествознания, объяснившим материальную биохимическую природу преемственности жизни на нашей планете.
«Управлять» синтезом ДНК оказалось, таким образом, излишне. ДНК способна к точной саморепродукции, она сама «управляет» собственным синтезом, а если для ускорения этого синтеза и нужны какие-либо белки — ферменты, то они создаются по «программе», записанной в самой ДНК Образование белков — это и есть, оказывается, основная функция ДНК и РНК — путь, которым ДНК управляет процессом обмена веществ.
Объем генетической информации для развития особей
Но и это не убедило тех, кто старался подвергнуть сомнению каждое новое открытие генетики и биохимии. Упрощенное представление о большом и малом, сложном и 216 простом никак не позволяло некоторым скептикам сопоставлять между собой микроскопическое ядро клетки и сложность сформированного организма. «Нет, — говорили они, — в таком малом объеме ядерного вещества нельзя сконцентрировать столь большой объем «наследственной информации», который необходим для синтеза всех белков сложного организма». Однако и это возражение оказалось несерьезным. В организме, например, человека идентифицировано около 2–3 тысяч разных белков, однако это только начало. По ориентировочным подсчетам Л. Полинга, количество разных белков, входящих в состав человеческого тела, может достигать 100 000. Средний размер полипептидной цепочки белка соответствует 150–200 аминокислотным остаткам.
В ядре же человека — 46 хромосом, а в каждой такой хромосоме не менее 10 000 молекул ДНК. В каждой молекуле ДНК около 20 000 нуклеотидов. Общая длина всех молекул ДНК клеточного ядра соответствует почти 10 миллиардам нуклеотидов. Учитывая уменьшающие факторы — трехнуклеотидность аминокислотного кода, двуцепочечный характер ДНК и парность хромосомного набора (диплоидностъ), можно легко подсчитать, что полинуклеотиды ДНК в ядре клетки человека могут содержать информацию для синтеза 4 миллионов разных белков. Если бы каждые три нуклеотида ДНК соответствовали только одной букве русского алфавита, то информация, содержащаяся в ДНК одной клетки, была бы равна информации, собранной в 400 томах, каждый из которых равен по объему одному тому Большой Советской Энциклопедии!
Очевидно, таким образом, что с теоретической и с фактической точек зрения хромосомная теория наследственности неуязвима. Даже с помощью маленькой клетки один организм может передавать другому зашифрованный в ДНК точный проект всех основных белков, свойственных данному виду. И эмбриональное развитие — это
Молекулярный механизм репродукции вирусов, фагов и бактерий
Но и этим не ограничивались доказательства существования и функций наследственного вещества. На простейших живых системах — вирусах и фагах — удалось искусственно разделить наследственное вещество РНК или ДНК и тело — «сому», а затем воспроизвести «сому» за счет одного только наследственного вещества и синтетических систем другого организма.
Один из наиболее простых вирусов — вирус табачной мозаики — состоит из длинной спирали РНК, на которую как бы нанизаны сотни идентичных белковых молекул, образующих своеобразный футляр. Белки вируса очень специфичны, таких белков в клетках растения нет. И вот в этой простейшей структуре произошло разделение на наследственное вещество — PH К и «сому» — тело вируса, состоящее из белков.
Френкель — Конрат в США и Шрамм в Германии впервые в 1957 году установили, что РНК вируса, отделенная от белка, сохраняет инфекционность. Если снять с этой РНК ее белковый футляр, то и такая свободная от белка РНК вируса при введении в растение вызывает все признаки заболевания. При этом в клетках растения накапливаются типичные вирусные частицы вместе с белковым футляром. РНК вируса, служащая в данном случае «наследственным веществом, не только воспроизводит белки вируса. Для синтеза вирусного белка используются, конечно, ферментативные активирующие системы клеток растений, но матрицей синтеза служит вирусная РНК Опыты по инфекционности «чистой» вирусной РНК были быстро подхвачены и распространены на десятки и сотни вирусов, и результат был всегда один и тот же. Слово «чистая» РНК мы поставили в кавычки, ибо абсолютная чистота такого сложного соединения, конечно, не может быть гарантирована. Однако даже наличие сотых долей процента аминокислотной примеси оказалось достаточным для скептиков, чтобы выразить сомнение. «Вот видите, — восклицали они, — ведь РНК не была абсолютно чистой. Может быть, именно эта примесь и играла главную роль?» Но получение абсолютно чистой РНК, так же как и получение абсолютно чистого белка, — дело вообще нереальное. Биополимеры — соединения весьма нежные и на какой-то ступени очистки разрушается сама структура РНК Однако попытка опереться на сотую долю процента примесей к РНК в решении проблемы наследственности была, конечно, несерьезным делом. И это возражение провалилось, как только стали изучать механизмы потери инфекционности. Только те факторы, которые влияли на РНК, лишали препарат инфекционности.
Опыты по переносу наследственных свойств вида с помощью нуклеиновых кислот продолжили на более сложных организмах — бактериофагах, построенных из одного-двух 218 десятков белков и ДНК, находящейся, как в футляре, в головке фага, к которой прикрепляется подвижный хвост.
Было обнаружено, что фаговая частица, «подплывая» к бактерии и «прокалывая» ее особым устройством, инъецирует в ее цитоплазму всего лишь одну гигантскую молекулу ДНК. Остальная часть тела фага в его репродукции не участвует. Попадая в бактерию, молекула ДНК развивает бурную деятельность. На ее поверхности образуются особые формы РНК — посланники генетической информации. Они «садятся» на клеточные структуры — бактерии и начинают синтез белков фага. ДНК тем временем начинает размножаться и к концу этого размножения в клетке бактерии вместо одной молекулы ДНК образуется два десятка фаговых частиц. Однако опыты с попыткой заражения бактерий фаговых ДНК, предварительно выделенной из фагов искусственно, не дали первоначально положительных результатов. Фаговая ДНК — это очень большой и длинный полимер, ее молекулярный вес достигает десятков миллионов. Выделить эту ДНК в чистом виде без повреждений оказалось трудным делом, да и без особого прокалывающего устройства, содержащего фермент-лизоцим, который растворяет оболочку бактерий, она не проникала в цитоплазму. При обычном же заражении в клетку бактерии вместе с ДНК попадает ничтожное количество белка — всего около 1 % от веса ДНК, Этот белок не имеет, конечно, прямого отношения к передаче наследственной информации, но для скептиков и это предлог, чтобы усомниться в том, что именно ДНК является наследственной субстанцией. Однако и эти сомнения оказались недолговечными. Недавно были найдены и изучены мелкие фаги с молекулами ДНК меныиего размера. ДНК этих фагов и в отсутствии белков оказалась инфекционной, особенно в том случае, когда ею обрабатывались «голые» бактерии, прочные оболочки которых были предварительно удалены лизоцимом.