Структуру днк открыли ученые. Открытие днк. Нобелевская премия не присуждается посмертно

Из истории открытия структуры ДНК

В 1910 г. стало ясно, что гены располагаются на хромосомах. Но не ясно было, из какого материала состоят гены – из белка или из нуклеиновой кислоты.

В 1928 г. Ф. Гриффит начал изучать роль нуклеиновой кислоты в жизни клетки в опытах на пневмококках.

Имеется два типа пневмококков. У одного пара бактериальных клеток окружена капсулой. Второй тип клеток – без капсулы. Капсула защищает микробы от фагоцитоза. Если ввести такие мышам, то они погибают. Пневмококк без капсулы не заражает мышей и не вызывает пневмонию.

Опыт. Мышей заразил смесью клеток живых пневмококков без капсул и мертвых пневмококков с капсулами.

Ожидалось, что мыши останутся здоровыми. Но они погибли от пневмонии. Живые бактерии, выделенные из мышей, имели капсулы. Это явление трансформации клетки.

Опыт. Микробиологи предположили, что какое-то вещество мертвых пневмококков способно заставить живые клетки образовывать капсулы. Они показали это в опытах.

Пневмококки с капсулами убили, растерли их и приготовили раствор из разрушенных этих клеток, – это экстракт. В культуральную среду внесли экстракт из мертвых клеток с капсулами, затем в эту среду внесли живые пневмо- кокки без капсул.

Результат: некоторые из клеток без капсул трансформировались в клетки с капсулами; их потомки также обладали капсулами и при введении их мышам вызывали пневмонию.

Оказалось, что клетки без капсул претерпели изменение - они стали обладать капсулами и вызывали пневмонию. Важно, что и их потомки также образовывали капсулы и вызывали пневмонию.

Вывод: 1) признаки пневмококков изменились, 2) это вызвано скорее тем, что какой-то компонент экстракта или он стал частью пневмококка.

Опыты Ф. Гриффита продолжили американские ученые – микробиолог

О.Т. Эвери (1877-1955) и его сотрудники.

Они задались вопросом: какое вещество вызывает трансформацию одного штамма пневмококка в другой? Для этого они повторили опыты Ф. Гриффита, используя вместо микробов экстракт из них.

Экстракт в опытах с пневмококками сохранял свою трансформирующую активность при разрушении в нем белков и РНК, но терял ее при разрушении ДНК.

Вывод: трансформирующим веществом является ДНК. Отсюда гены построены из ДНК.

Трансформация состоит в передаче генов от умерших пневмококков в живые и внедрении их в хромосому-хозяина, т.е. в бескапсульные пневмококки.

Роль ДНК в клетке была дополнена из жизни вирусов, содержащих ДНК. Они заражают клетки бактерий для того, чтобы осуществить в них цикл размножения.

При этом обнаружилась способность ДНК вируса синтезировать свои копии и белки.

Из всего следует, что ДНК контролирует жизнь содержащих ее клеток и способна синтезировать копии своих молекул. Этот процесс называется «самоудвоением» или размножением. ДНК – единственная в природе молекула, способная копироваться.

Вклад акад. Н.К. Кольцова

В 1927 г. наш ученый – акад. Н.К. Кольцов (1872-1940) писал, что «в одной хромосоме укладывается одна невероятно длинная молекула, а вдоль неe располагаются отдельные группировки атомов – гены».

Он также впервые сказал, что «при делении клеток такие молекулы не создаются заново из отдельных кусков, а сначала достраивают на себе точные копии, а затем исходная молекула и копия разойдутся вместе с дочерними хромосомами в образующиеся заново клетки». Это матричный принцип репликации генов и затем хромосом перед делением клетки на две.

Как происходит удвоение ДНК перед делением клетки было тайной для биологов в течение многих десятилетий. Ученые догадывались, что для понимания этого необходимо знать: 1) строение ДНК и 2) способы расположения нуклеотидов в молекуле.

К 1950 г. было известно, что ДНК молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию молекул четырех разных типов – нуклеотидов.

Э. Чаргафф (1950) показал, что в любой ДНК количество аденина равно количеству тимина (А=Т), а количество гуанина – количеству цитозина (Г=Ц). Это указывало на то, что в молекуле ДНК они находятся парами: А-Т; Г-Ц.

Р. Фраклин (1920-1958) в лаборатории М. Уилкинса методом рентгеновской кристаллографии получила «знаменитое ныне изображение картины структуры ДНК».

Однако из этих знаний не ясно было: как работает эта молекула или как она выглядит? Никто не знал, как выстраиваются химические единицы – А, Т, Г, Ц, чтобы нести в себе информацию о плане строения и воспроизводства живого.

Модель молекулы ДНК

Д. Уотсон и Ф. Крик занялись созданием модели молекулы ДНК, как Л. Полинг – для изучения пространственной структуры белка. Она помогла бы понять детали структуры и возможные функции ДНК.

Проведя расчeты, они в течение 18 месяцев были заняты созданием модели и создали модель ДНК. Но они не были уверены в правильности этой модели.

Руководитель Р. Франклин – М. Уилкинс разрешил Д. Уотсону ознакомиться с рентгеновским изображением молекулы ДНК, не сказав об этом ничего Р. Франклин. Когда Д. Уотсон увидел полученное Р. Франклин изображение, он понял: «они с Ф. Криком не ошиблись». На этом снимке они четко видели при- знаки спирали и пошли сразу в лабораторию, чтобы проверить «все на объемной модели».

Из-за отсутствия пластин Д. Уотсон вырезал из картона четыре типа макетов нуклеотидов: аденина (А), Тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц) и стал раскладывать их на столе.

Он тут же обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин с цитозином по принципу «ключ-замок», образуя пары. Именно таким образом удерживаются между собой две цепи молекулы ДНК.

Последовательность этих пар в молекуле может бесконечно варьировать. Это и служит шифром или кодом, при помощи которого зашифрована информация, определяющая тип белка, синтезируемого данной клеткой (Рис. 1).

Рис. 1.

Основания соединены водородными связями.

Молекула ДНК имеет две функции: 1) передавать информацию потомству, т.е. дочерним клеткам и 2) реализовывать информацию внутри клетки.

Из структуры двойной спирали сразу видно прямое следствие – репликацию, т.е. размножение ДНК. Способ: расхождение двух комплементарных цепей и построение по каждой из них новой – дополняющей цепи. Так из одной молекулы ДНК образуется две, что требуется для деления клетки на две. Ошибки при репликации, т.е. мутации – причина превращения нормальной клетки в дефектную (Рис. 2 и 3).

Итак, был доказан матричный принцип репликации ДНК перед делением

Клетки, предсказанный великим учeным, акад. Н.К. Кольцовым. Две части молекулы отделяются друг от друга, по каждой из них синтезируется новая поло- вина молекулы. Порядок же оснований – в роли матрицы или образца для дост- раивания молекул.

ДНК – хранилище генетической информации

Информация о синтезе каждого типа белка заложена в ДНК в виде некой линейной последовательности оснований.

В 1961 г. Ф. Крик доказал, что каждая группа из трех оснований образует кодон. Один кодон кодирует одну аминокислоту из 20 главных аминокислот.

Для переноса информации о структуре белка из ядра клетки имеется иРНК. Она – копия с фрагмента кодирующей матричной цепи ДНК. В ней вместо тимина содержится урацил.

По иРНК в рибосоме с помощью транспортной РНК будет синтезирован белок – конечное звено реализации генетической информации. Так как ДНК служит хранилищем генетической информации, ее называют молекулой жизни.

До начала работы Д. Уотсона и Ф. Крика над структурой ДНК, уже многое было известно.

Р. Франклин в 1951 г. впервые получила первую уникальную рентгенограмму молекулы ДНК, где видно, что эта молекула имеет форму двойной спирали, очень похожую на винтовую лестницу. Ее снимки сыграли решающую роль в открытии Д. Уотсона и Ф. Крика. В знак этого, Р. Франклин называют «пионером» молекулярной биологии.

За открытие структуры ДНК и ее функций Д. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс в 1962 г. удостоены Нобелевской премии. Р. Франклин не дожила. Она скончалась от рака в 1958 г.

Революция в мире науки

Открытие пространственной структуры ДНК – стало основанием для ряда новых открытий.

В 60-х гг. ХХ в. механизм репликации ДНК подтвердился, обнаружен фермент – ДНК-полимераза, катализирующий этот процесс.

Открыт генетический код, т.е. шифр, по которому в клетке синтезируются белки.

В 70-х гг. XX в. еще два метода были созданы: секвенирование и получение рекомбинантной ДНК.

Получение рекомбинантной ДНК или метод молекулярного клонирования. Суть этого метода – в молекулу ДНК встраивают фрагмент, содержащий определенный ген.

Например, вводят его в бактерию, и она синтезирует его продукт – белок, который необходим человеку.

В 80-х гг. XX в. разработана полимеразная цепная реакция (ПЦР). Эта технология необходима для быстрого «размножения» нужного фрагмента ДНК.

С помощью ПЦР можно осуществлять раннюю диагностику бактериальных и вирусных инфекций, а также первые раковые клетки в организме пациента по их генам-маркерам.

Например, в плазме крови пациента можно обнаружить фрагменты генов- маркеров раковой клетки. Если фрагмент в малом количестве или единственный, с помощью ПЦР его размножают и после этого легко идентифицируют.

Открытие структуры ДНК дало возможность учeным расшифровать геном человека и многих других организмов. Это открытие позволило перейти к генной терапии любой болезни, в том числе рака.

Раковая клетка «плохо распознается иммунной системой пациента, т.к. она возникает из нормальной клетки организма-хозяина».

Поэтому для уничтожения раковых клеток с помощью генной терапии, надо прежде сделать раковые клетки «чужими» для иммунной системы.

Есть много способов, как это сделать. Можно из материала биопсии рака выделить раковые клетки, ввести в них «чужой» ген, а затем эти раковые клетки ввести обратно в организм пациента. В таком случае иммунная система по белку этого гена будет распознавать раковые клетки как «чужие» и уничтожать их.

В опытах на животных такой метод воздействия на ДНК раковых клеток дал обнадеживающие положительные результаты. Но для лечения же пациентов от рака, подобный метод находится пока на этапе клинических испытаний

(Е.Д. Свердлов, 2003).

К эре «живых технологий»

И совсем необычно – начало новой эры «живых технологий». Ученые ряда стран заявляют, что они почти готовы к созданию «искусственной жизни», т.е. абиогенезу.

Пока нет единого определения живого, для него характерны три признака; 1) наличие контейнера, т.е. мембраны, вмещающего содержимое клетки;

2) метаболизм – способность преобразовывать базовые питательные вещества в рабочие механизмы клетки; 3) наличие генов – химических конструкций, необходимых для построения клетки, которые могут передаваться потомству и изменяться вместе с изменениями окружающей среды.

Каждый из этих трех элементов уже воспроизведен в лабораториях, ученые готовы приступить к попыткам соединить все это «в одну рабочую единицу», т.е. клетку.

В случае успеха, это будет «мир сверхмалых живых машин: специальные клетки будут лечить организм человека и бороться с загрязняющими окружающую среду веществами».

Ближайшей задачей науки ученые считают создание «искусственной клетки», способной к самовоспроизводству и вырабатывающей уникальные химические вещества, в том числе лекарства, которые пока не удается синтезировать.

«Искусственное живое» будет находиться под полным контролем человека, например, «подпитывая» его элементами, не встречающимися в природе в чистом виде.

Синтез вирусов и начало синтеза клетки

1. Проф. Э. Уиммер (E. Wimmer) и его группа из Нью-Йорка в 2002 г. впервые со времeн зарождения «живого» на Земле, создали вирус полиомиелита из неживой материи.

Ученые спорят: вирусы – это живые существа или неживые объекты?

У.М. Стэнли – лауреат Нобелевской премии – считает, что «в клетке вирус ведет себя как живое существо, а вне клетки он мертв, как камень».

Г. Надсон – наш микробиолог, говорит так: «Вирус – это то ли вещество, обладающее свойствами существа, то ли существо со свойствами вещества».

Акад. В.А. Энгельгардт – наш ученый, писал: «Многие вирусы состоят всего лишь из белка и нуклеиновой кислоты. Они могут быть отнесены к химическим соединениям – нуклеопротеидам».

Геном вируса полиомиелита полностью расшифрован. На этом основании учeные собрали точную последовательность нуклеотидов, соответствующую естественному образцу.

Этот генетический материал поместили в раствор, подобный цитоплазме. В нем по информации, заложенной в ДНК, были синтезированы необходимые белки.

Проф. Э. Уиммер сообщает, что как только в пробирку были помещены все генетические составляющие, вирус тут же «самособрался». Иными словами,

«жизнь, или по крайней мере еe подобие, завелась с пол-оборота».

Созданный вирус выглядел так же, как его природный образец. Для доказательства активности вируса ученые заразили им мышей. Животные погибли при классических симптомах полиомиелита.

На сборку генома вируса полиомиелита проф. Э. Уиммеру потребовалось три года.

В той же лаборатории К. Вентер (J. Craig Venter) синтез вируса произвел за 14 дней.

2. Синтез искусственного вируса phi-Х174. Это бактериофаг, существует в природе, безопасный для человека и животных.

К. Вентер и его группа взяли несколько участков ДНК и соединили их, создав полный геном вируса, содержащий одиннадцать генов. Эта смесь была помещена в пробирку, где самостоятельно собралась в генетическую цепочку, идентичную геному phi-Х174. После этого собранный геном имплантировали в живую клетку, которая начала производить копии вируса.

3. Американские учeные создадут неизвестную в природе форму живого. Учeные из лаборатории Роквилля объявили о намерении создать при помощи генной инженерии новую форму жизни – 21.11.2002.

Цель проекта – исследования фундаментальных механизмов зарождения и развития органической жизни. Основные участники – генетик К. Вентер и Нобелевский лауреат Х. Смит.

Целью эксперимента является создание одной клетки, являющейся базовой для формирования организма с минимальным набором генов для поддержания жизни.

Если опыт удастся, то выращенная клетка будет расти и делиться, создавая, таким образом, целую клеточную структуру, не существующую в при- роде. Это будет «минималистский» организм.

В конце 1990-х гг.XX в. К. Вентер – в то время глава Института геномных исследований в Роквилле (США), – опубликовал перечень генов, необходимых для существования одноклеточного организма, – микоплазмы. По его подсчетам этот обитатель половых путей человека может обходиться 300 генами из своих 517, которые в этом микробе образуют одну хромосому.

В основе проекта – на 3 года, лежит та же бактерия. Из ее клетки ученые намерены извлечь весь генетический материал, затем скомпонаватъ из его «кусочков» искусственную цепочку генов, т.е. хромосому. В еe состав войдут только те гены бактерии, которые «безусловно необходимы» для поддержания жизни нового организма. На завершающем этапе собранная цепочка генов будет инкорпорирована в лишенную генетического материала клетку.

Затем «должно случиться самое интересное, то, ради чего задуман эксперимент» – оживление бактерии. Дальше пойдут наблюдения за таким полуприродным организмом: как он живет и размножается.

«Нас интересует: можно ли придти к молекулярному определению жизни, и наша главная цель – фундаментальное понимание составляющих самой элементарной живой клетки».

Во избежание создания болезнетворного агента К. Вентер и Х. Смит лишат новую «микоплазму» генов, ответственных за ее прикрепление к клеткам в организме человека, потом тех генов, которые позволяют ей выживать в неблагоприятных условиях. В результате получится «довольно хрупкое существо, абсолютно зависимое от своих создателей».

В задачу исследований также входит научиться искусственно создавать различные гены. «Это – воистину базовая наука, – говорит К. Вентер. – Даже

При том, что мы обнаружили все гены в человеческом геноме, мы до сих пор не смогли постичь тайну самой простой клетки. Именно это мы и хотим сделать сейчас».

К. Вентер и Х. Смит и их группы в запасе имеют и другой вариант создания живой клетки: искусственно в лаборатории синтезировать эти базовые гены, собрать их в цепочку, а затем ввести их в такую же бактерию, из которой ее генетический материал весь будет предварительно удалeн.

Что вкладывает К. Вентер в свою задачу – дать «молекулярное определение жизни»?

Любая клетка построена из молекул, как и организм в целом. Их структура и состав, а также взаимодействие заложены в генах. В процессе эволюции каждая молекула скроена в соответствия с функцией в клетке. Клетка – это не хаотическое скопление молекул, а «их упорядоченность», т.е. организация, так как ее строят гены через продукты – белки. Разрушь ее, то хотя и останутся в виде смеси эти молекулы клетки,– это уже будет мертвое, так как разрушена молекулярная организация клетки. А она создана в процессе эволюции «живого».

Отсюда: К. Вентер стремится минимумом генов получить такую организацию неживых молекул, которая превратится в «живое». Это и будет абиогенезом.

МОСКВА, 25 апр — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки — молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. РИА Новости рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.

Во второй половине XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже сформулированы Грегором Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 года молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он намеревался узнать, из каких веществ состоит клетка. Для экспериментов выбрал лейкоциты, которые легко получить из гноя.

Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином ("нуклеус" на латыни — ядро).

Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин "нуклеиновая кислота". Его приставка "дезоксирибо" означает, что молекула содержит H-группы и сахара. Потом выяснилось, что на самом деле это соль, но название менять не стали.

В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах — компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность передавать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.

Модель, объяснившая гены

А вот что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности — генам — приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.

Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это сложно. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там молодые исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными экспериментальными данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.

Уотсон и Крик предложили модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две параллельные цепочки закручены в правую спираль. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, нанизанных на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Это правило называют принципом комплементарности.

Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, его специфику, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).

"Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике — открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии", — пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги "Самая главная молекула".

Генетический код

Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных белков, которые выполняют всю работу в клетке. Белки — это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот — всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген — это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев — нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид — это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах — своего рода "фабриках" внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде маленькой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается белок.

Выяснили также, что генетический код — трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК считывается кодон за кодоном, последовательно. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?

На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые доложили свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические исследования. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил сильно продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Великобритания

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов.

Основная роль ДНК в клетках - долговременное хранение информации о структуре РНК и белков. Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии.

В научной литературе, посвященной изучению ДНК чаще всего можно встретить имена Дж. Уотсона и Френсиса Крика, как ученых, создавших в 1953 году модель структуры молекулы ДНК. Однако, сама молекула была открыта намного раньше и не этими учеными. Имя – же первооткрывателя упоминается далеко не в каждом учебнике, справочнике или энциклопедии.

Первенство открытия дезоксирибонуклеиновой кислоты приписывается молодому швейцарскому врачу Иоганну Фридриху Мишеру. В 1869-м году, работая в Германии, он занимался изучением химического состава клеток животных. В качестве объекта своих исследований он выбрал клетки лейкоцитов. Лейкоциты ученый выделял из гнойного материала, т.к. именно в гное очень много этих белых кровяных телец, выполняющих защитную функцию в организме, и уничтожающих микробы. Из местной хирургической больницы ему поставляли повязки, снятые со свежих гнойных ран. Мишер отмывал лейкоциты из ткани бинтов, а затем выделял из отмытых клеток молекулы белков. В процессе исследований, ему удалось установить, что кроме белка, в лейкоцитах содержится еще какое-то неизученное вещество. Оно выделялось в виде осадка нитевидной или хлопьеобразной структуры при создании кислой среды. При подщелачивании раствора, осадок растворялся. Исследуя препарат лейкоцитов под микроскопом, Мишер обнаружил, что в процессе отмывания лейкоцитов разбавленной соляной кислотой, от них остаются одни ядра. На основании этого, он сделал заключение о том, что в ядрах клеток содержится неизвестное вещество, и назвал его нуклеином, от латинского слова nucleus, что в переводе означает «ядро».

При более подробном изучении, Мишер разработал целую систему выделения и очистки нуклеинов. Выделенное соединение он подверг обработке эфиром и другими органическими растворителями, и убедился, что это не жировое соединение, т. к. оно не растворялось в этих веществах. Не имели нуклеины и белковой природы, т.к. при обработке ферментами, разлагающими белки, они не претерпели никаких изменений.

Химический анализ, в те времена, был несовершенен, неточен и трудоемок. Медленно, но верно, ученый провел его и определил, что нуклеин состоит из углерода, водорода, кислорода и фосфора. Фосфорные органические соединения тогда еще были практически не известны, поэтому Мишер сделал заключение, что открыл неизвестный науке класс соединений, содержащихся внутри клетки.

Статью о своем новом открытии он хотел разместить в журнале «Медико-химические исследования», который выпускался его учителем, одним из основателей биохимии Феликсом Хоппе-Зейлером. Но он, прежде чем печатать материал, решил проверить его данные в своей лаборатории. На это исследование ушел целый год, и только в 1871-м году, в одном из номеров журнала, работа Мишера была опубликована. Она сопровождалась двумя статьями самого Хоппе-Зейлера и его сподвижника, с подтверждением данных о составе и свойствах нуклеинов.

После возвращения в Швейцарию, Мишер принял предложение занять место заведующего кафедрой физиологии в Базельском университете. Там он продолжил свои исследования. На новом месте ученый использовал для опытов более приятный, и не менее богатый нуклеином материал – молоки лососевых рыб (они до сих пор используются для этих же целей). На берегу богатого лососем Рейна, протекающего через Базель, у него не было недостатка в исследуемом материале.

В 1874-м году Мишер опубликовал статью, в которой утверждал, что нуклеины, обнаруженные им в молоках лососевых рыб, явно связаны с процессом оплодотворения. При этом он никак не связал их с наследственностью. Ученому показалось открытое им соединение таким простым и единообразным, что он никак не мог предположить, что именно в нем может храниться все разнообразие наследственных признаков живых организмов. Существующие в те времена методы биохимического анализа, еще не позволяли обнаружить существенных отличий нуклеинов человека от нуклеинов лосося и, тем более распознать столь сложную структуру, которая и до сих пор полностью не распознана.

В. Иванов, доктор физико-математических наук

Шестьдесят лет назад было сделано замечательное научное открытие. 25 апреля 1953 года была опубликована статья о том, как устроена самая загадочная молекула – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сокращенно её называют ДНК. Эта молекула встречается во всех живых клетках всех живых организмов. Обнаружили ее ученые более ста лет назад. Но тогда никто не знал, как эта молекула устроена и какую роль играет в жизни живых существ.
Окончательно разгадать тайну удалось английскому физику Френсису Крику и американскому биологу Джеймсу Уотсону. Их открытие было очень важным. И не только для биологов, которые узнали наконец, как устроена молекула, управляющая всеми свойствами живого организма. Одно из крупнейших открытий человечества было сделано так, что совершенно невозможно сказать, какой науке это открытие принадлежит, – так тесно слились в нем химия, физика и биология. Этот сплав наук и есть самая яркая черта открытия Крика и Уотсона.

НА ОДНУ МОЛЕКУЛУ МОЖНО ВЗГЛЯНУТЬ ПО-РАЗНОМУ

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. Почему дети – идет ли речь о людях, медведях, вирусах – похожи на своих родителей, бабушек и дедушек? Для того, чтобы открыть тайну, биологи исследовали самые разные организмы.
И ученые выяснили, что за сходство детей и родителей отвечают особые частицы живой клетки – хромосомы. Они похожи на маленькие палочки. Небольшие участки палочки-хромосомы назвали генами. Генов очень много, и каждый отвечает за какой-нибудь признак будущего организма. Если говорить о человеке, то один ген определяет цвет глаз, другой – форму носа... Но из чего состоит ген и как он устроен, этого ученые не знали. Правда, было уже известно: в хромосомах содержится ДНК и ДНК имеет какое-то отношение к генам.
Разгадать тайну гена хотели разные ученые: каждый смотрел на эту тайну с точки зрения своей науки. Но чтобы узнать, как устроен ген, маленькая частица ДНК, надо было узнать, как устроена и из чего состоит сама молекула.
Химики, которые исследуют химический состав веществ, изучали химический состав молекулы ДНК. Физики стали просвечивать ДНК рентгеновскими лучами, как обычно они просвечивают кристаллы, чтобы узнать, как эти кристаллы устроены. И выяснили, что ДНК похожа на спираль.
Биологи интересовались загадкой гена, конечно, больше всех. И Уотсон решил заняться проблемой гена. Для того, чтобы поучиться у передовых биохимиков и побольше узнать о природе гена, он отправился из Америки в Европу.
В то время Уотсон и Крик еще не знали друг друга. Уотсон, проработав некоторое время в Европе, никак существенно не продвинулся в выяснении природы гена.
Но на одной из научных конференций он узнал, что физики изучают строение молекулы ДНК с помощью своих, физических методов. Узнав это, Уотсон понял, что тайну гена ему помогут раскрыть физики, и отправился в Англию, где устроился работать в физическую лабораторию, в которой исследовали биологические молекулы. Здесь-то и произошла встреча Уотсона и Крика.

КАК ФИЗИК КРИК ЗАИНТЕРЕСОВАЛСЯ БИОЛОГИЕЙ

Крик вовсе не интересовался биологией. До тех пор, пока ему на глаза не попалась книжка известного физика Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?".
В этой книжке автор высказал предположение, что хромосома похожа на кристалл. Шредингер заметил, что "размножение" генов напоминает рост кристалла, и предложил ученым считать ген кристаллом. Это предложение заинтересовало Крика и других физиков. Вот почему.
Кристалл – очень простое по структуре физическое тело: в нем все время повторяется одна и та же группа атомов. А устройство гена считали очень сложным, раз их так много и все они разные. Если гены состоят из вещества ДНК, а молекула ДНК устроена так же, как кристалл, то получается: она одновременно и сложная и простая. Как же так? Уотсон и Крик понимали: физики и биологи слишком мало знают о молекуле ДНК. Правда, кое-что было известно о ДНК химикам.

КАК УОТСОН ПОМОГ ХИМИКАМ, А ХИМИКИ – КРИКУ

Химики знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре химических соединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Их обозначили по первым буквам – А, Т, Г, Ц. Причем аденина было столько же, сколько тимина, а гуанина – сколько цитозина. Почему? Этого химики понять не могли.
Они догадывались: это как-то связано со структурой молекулы. Но как, не знали. Химикам помог биолог Уотсон.
Уотсон привык к тому, что в живой природе многое встречается парами: пара глаз, пара рук, пара ног, существуют, например, два пола: мужской и женский... Ему казалось, что и молекула ДНК может состоять из двух цепочек. Но если ДНК похожа на спираль, как выяснили физики при помощи рентгена, то как в этой спирали две цепочки держатся друг за друга? Уотсон предположил, что при помощи А, Г, Ц и Т, которые, как руки, протянуты друг к другу. Вырезав из картона контуры этих химических соединений, Уотсон долго прикладывал их то так, то эдак, пока вдруг не увидел: аденин прекрасно соединяется с тимином, а гуанин с цитозином.
Уотсон рассказал об этом Крику. Тот быстро сообразил, как должна выглядеть двойная спираль на самом деле – в пространстве, а не на рисунке.
Оба ученых начали строить модель ДНК.
Как это – "строить"? А вот как. Из молекулярного конструктора, который напоминает детский конструктор-игрушку. В молекулярном конструкторе деталями служат шарики-атомы, которые пристегиваются друг к другу кнопочками в том порядке, в каком расположены атомы в веществе.
Молекулярный конструктор придумал другой ученый – химик Полинг. Он строил модели молекул белков и выяснил, что в них обязательно должны быть участки, похожие на спирали. Очень скоро это подтвердили физики той лаборатории, где работал Крик. Важная биологическая проблема была решена теоретическим путем.
Способ Полинга так понравился Крику, что он предложил Уотсону построить модель ДНК при помощи молекулярного конструктора. Вот так была создана модель знаменитой Двойной спирали ДНК, которую вы можете увидеть на рисунке.
И что замечательно: из-за того, что А в одной цепи может "склеиваться" только с Т в другой, а Г – только с Ц, автоматически выполняется "химическое" правило, по которому количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц. Но самое о главное, что, глядя на Двойную спираль ДНК, сразу понятно, как решить загадку размножения генов. Достаточно "размотать" косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивалось с Т, а Г – с Ц: был один ген – стало два. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики.
И в то же время этот "кристалл" может содержать самые разные сочетания А, Т, Ц, Г, и поэтому все гены разные.
Решение проблемы гена Уотсоном и Криком привело к тому, что буквально за 2–3 года сформировалась целая новая область естествознания, которую назвали молекулярной биологией. Часто ее называют физико-химической биологией.

КАК ПЕРЕСТАЛИ СПОРИТЬ "ФИЗИКИ" И "ЛИРИКИ"

Можно привести и другие примеры взаимного проникновения разных наук друг в друга. Математика, например, широко используется в астрономии, физике и даже в... лингвистике, науке о строении языка.
Математические методы, например, позволяют установить подлинного автора неизвестных рукописей. Отыскали в архивах неизвестное стихотворение, а кто его автор? Ученые предполагают, что написал известный поэт. Но как проверить это предположение? Математики подсчитывают, сколько раз в этом произведении встречается какое-нибудь определенное слово, или, скажем, в какой последовательности встречаются слова в тексте. Такие же расчеты делают и в известном произведении предполагаемого автора. Результаты сравнивают. Если они совпадают – значит, найдена подлинная рукопись. Так математики возвращают нам, читателям, украденные временем произведения известных писателей и поэтов.
Или, например, физика и музыка... Что может быть общего у точной науки с искусством? Оказывается, есть общее.
На струнных инструментах – на скрипке, виолончели – музыкант сам выбирает нужную высоту звука. Не нравится скрипачу, как звучит, к примеру, нота "до", кажется ему, что она должна звучать чуть выше или, наоборот, чуть ниже, – он сам подберет на струне точное звучание. Пианист этого сделать не может. На клавиатуре каждая клавиша – определенная нота. Сколько раз ни нажимай, она будет звучать одинаково. Значит, для точного исполнения музыкального произведения рояль должен быть очень точно настроен. Физики высчитали ту частоту колебания звука, по которой музыкальные клавишные инструменты можно настроить наиболее точно. Как видите, трудно пришлось бы музыкантам и лингвистам без физиков и математиков.
Современному человеку необходимо обладать знаниями самыми разнообразными. Сегодняшнему ученому это особенно важно. В наше время появилось много наук составных: физическая химия и химическая физика, даже, как вы теперь знаете, физико-химическая биология. Какое отношение все это имеет к вам? Самое прямое.
В школе я не думал даже, что когда-нибудь стану заниматься биологией. Увлекался больше точными науками. А вот теперь биологией занимаюсь.
Неправильно разделять школьные предметы на те, которые нужны, и те, которые не нужны. Кто знает, что может пригодиться потом?

Открытие двойной спирали ДНК

Нуклеиновые кислоты впервые были открыты в ядре человеческих клеток швейцарским исследователем Фридрихом Мишером в 1869 г. В начале XX века биологам и биохимикам удалось выяснить структуру и основные свойства клетки. Было установлено, что одна из нуклеиновых кислот, ДНК, представляет собой чрезвычайно большую молекулу, состоящую из структурных единиц, названных нуклеотидами, каждый из которых содержит азотистые основания.

Морис Уилкинс и Розалин Франклин, ученые из Кембриджского университета, провели рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и показали, что они представляют собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные привели американского биохимика Джеймса Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. Национальное общество по изучению детского паралича выделило субсидию. В октябре 1951 г. в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Уотсон занялся исследованием пространственной структуры ДНК совместно с Джоном К. Кендрю и Френсисом Криком, физиком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.

Спирали ДНК

Уотсону и Крику было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), каждая из которых состоит из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК – урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися и в феврале 1953 г. сделали сообщение о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.

Согласно модели Крика – Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. С помощью этой модели можно было проследить репликацию самой молекулы ДНК. По Уотсону и Крику, две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что очень похоже на расстегивание застежки-молнии. Из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

ДНК выполняет чрезвычайно важную роль, необходимую как для поддержания, так и для воспроизведения жизни. Во-первых, это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из ее цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной цепи, представляют собой так называемый ген. Вторая функция ДНК – передача наследственной информации из поколения в поколение. ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка.

Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 г. «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи». В речи на презентации А.В. Энгстрем из Каролинского института охарактеризовал ДНК как «полимер, составленный из строительных блоков нескольких типов – моносахарида, фосфата и азотистых оснований… Моносахарид и фосфат – повторяющиеся элементы гигантской молекулы ДНК, кроме того, она содержит четыре типа азотистых оснований. Открытием является порядок пространственного соединения этих строительных блоков».

Что изменило это открытие в нашей жизни за прошедшие 50 с лишним лет?

В 1969 г. ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 г. – искусственный ген. В конце XX века стало возможным создание полностью искусственных микроорганизмов. Так, в лабораториях были созданы искусственные бактерии, вырабатывающие необычные для них аминокислоты, а также жизнеспособные «синтетические» вирусы. Ведутся работы по созданию более сложных искусственных организмов – растений и животных.

Изучение структуры и биохимии ДНК привело к созданию методики модификации генома и клонирования. В 1980 г. был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1996 г. на свет появилось первое клонированное млекопитающее – овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны.

В 2002 г. был успешно завершен проект «Геном человека», в ходе которого была создана полная генетическая карта человеческих клеток. И в том же году начались попытки клонирования человека, хотя пока ни одна из них не завершена (по крайней мере, научные данные об успешном клонировании человека отсутствуют).

Еще в 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 г. впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Сейчас полным ходом идет изучение генетических механизмов развития самых разных заболеваний – от рака до артрита – и поиск методов исправления вызывающих их генетических «ошибок». А всего в клинической практике применяется более 350 препаратов и вакцин, при создании которых используется генная инженерия.

Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства (кстати, этот метод стал настоящим подарком для музыкантов, политиков и актеров, которые были вынуждены доказывать в суде свою непричастность к рождению приписываемых им детей), а также для установления личности преступника. Стоит отметить, что о подобной возможности использования ДНК говорил еще сам Джеймс Уотсон, предлагавший создать базу данных, в которую вошли бы персональные структуры ДНК всех жителей планеты, что позволило бы ускорить процесс идентификации преступников и их жертв.

С помощью ДНК можно «ловить» не только преступников, но и, например, наркотики или биологическое оружие. Американские криминалисты используют систему контроля структуры ДНК растений-наркотиков для создания базы данных обо всех разновидностях марихуаны. Эта база позволит отследить источник практически любого образца наркотиков. В скором будущем в США начнут применяться основанные на анализе ДНК методы обнаружения биологических атак – планируется установить в общественных местах специальные датчики, которые будут автоматически «вылавливать» из воздуха опасные микроорганизмы и подавать предупреждающий сигнал.

В 1982 г. была впервые проведена успешная модификация генома растения. А пять лет спустя на полях появились первые сельскохозяйственные растения с модифицированным геномом (это были помидоры, устойчивые к вирусным заболеваниям).

Сейчас с помощью генной инженерии выращиваются практически все продукты питания, особенно такие культуры, как соя и кукуруза. С 1996 года, когда началось коммерческое использование генетически модифицированных продуктов, общая площадь их посевов возросла в 50 раз. Общая площадь посевных площадей под трансгенными культурами в мире в 2005 г. составила 90 млн га. Правда, правительства многих стран запретили выращивание и ввоз таких продуктов, так как ряд исследований показали, что они могут представлять опасность для здоровья человека (аллергия, поражение репродуктивной функции и др.).

Возможность изучения структуры ДНК позволила придать новый импульс историческим исследованиям. Так, например, были идентифицированы останки Николая Второго и его семьи, а также подтверждены и опровергнуты некоторые исторические сплетни (в частности, было доказано, что один из основателей США Томас Джефферсон имел незаконнорожденных детей от чернокожей рабыни).

С помощью анализа ДНК удалось проследить происхождение и людей, и целых народов. Например, было показано, что гены японцев практически идентичны генам одного из племен Центральной Америки. А чернокожие американцы всего за 349 долларов могут узнать, из какого района Африки и даже из какого племени происходили их предки, привезенные на невольничьих кораблях много лет назад.

Что даст нам ДНК в ближайшем будущем? Очевидно, это будет клонирование человека и его органов, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания…