Открытие кода ДНК

Итак, наследственность записана в каком-то виде, и эта запись скрыта внутри организма. Но что она собой представляет, оставалось для ученых загадкой. Путь к исследованию природы столь сложного явления был долог и сопровождался интереснейшими открытиями.

Во второй половине XVII в. английский ботаник P. Гук, впервые применивший микроскоп для исследования растительных и животных тканей, с удивлением обнаружил, что они сложены загадочными образованиями. Последние напоминали многочисленные пустоты, своеобразные ячейки, которые Гук окрестил клетками.

В дальнейшем удалось установить, что клетки не являются полостями, но содержат в себе жидкость и мельчайшие структурные элементы — органоиды. В 1838–1839 гг. в результате глубоких исследований клеток ботаник М. Шлейден и физиолог Т. Шванн создали клеточную теорию — учение о клеточном строении организмов. Ученые провозгласили, что все живые существа состоят из клеток. Все, что происходит внутри организма микроба, растения или животного, является результатом работы клеток. Вот только микробы состоят из одной-единственной клетки, а большинство растений и животных многоклеточные.

«Ячейки» растут, делятся, преобразуют питательные вещества в энергию, порождают движение, участвуют самым непосредственным образом в размножении. Из половых клеток рождаются новые существа, которые растут и развиваются по тем же законам. Биолог P. Вирхов добавил к этим утверждениям еще один принцип: всякое существо происходит из клетки, неклеточная жизнь невозможна. Сегодня ученые открыли тысячи неклеточных форм живой материи — вирусов и вироидов, однако эти создания способны к жизнедеятельности и размножению только внутри клеточной среды.

Постепенно стало очевидным, что носителем наследственности выступает либо сама клетка, либо ее часть. И только в первой половине XX столетия американскому ученому Моргану в результате длительного наблюдения за делением клеток удалось доказать, что носителями наследственности являются особые элементы клеточного ядра, т. н. хромосомы. В каждой клетке человека, за исключением половых (гамет), содержится по 46 хромосом.

В гаметах хромосом в 2 раза меньше, поскольку зачатие нового человека происходит при слиянии женской яйцеклетки и мужского сперматозоида, когда объединяются до целого половинчатые хромосомные наборы. Такие наборы названы учеными кариотипами. Кариотипы разных растений и животных сильно отличаются по числу хромосом и их размерам. Оттого скрещивание между существами с различными кариотипами в большинстве случаев или невозможно, или оно дает неполноценных гибридов. Так, у собаки имеется 78 хромосом, у шимпанзе — 48, у плодовой мушки — всего 8, у кукурузы — 20.

Облик и строение каждого существа определяются особенностями кариотипа. Хотя хромосомы одного вида одинаковы, они содержат в себе разные вариации генов. Ген — единица вещества наследственности, отвечающая за определенный признак или конкретную функцию организма. Количеству генов соответствует количество признаков и функций. Вот почему люди, имеющие одинаковые кариотипы, различаются по цвету глаз, волос, кожи, комплекции, форме лица, дактилоскопическому рисунку на пальцах и прочим признакам.

В 1953 г. состоялось долгожданное открытие. Ученые Ф. Крик и Д. Уотсон сумели проникнуть внутрь хромосом и извлечь из них вещество наследственности. Им оказалась дезоксирибонуклеиновая кислота, или сокращенно ДНК. Несмотря на свое название, ДНК не имеет ничего общего с обычными кислотами, а представляет собой жидкий кристалл, отдаленно похожий на те, что применяются в индикаторах электронных часов. Молекула ДНК представляет собой невероятно длинную цепочку, сложенную двумя спиралями из сахара и фосфора. Каждая спираль напоминает контур винтовой лестницы.

Обе спирали оборачиваются одна вокруг другой и объединяются с помощью химических «мостов», в качестве которых выступают аденин, гуанин, тиамин и цитозин (А, Г, Т, Ц). Последовательность четырех перечисленных веществ уникальна, она несет в себе закодированную информацию о синтезе белков и прочих клеточных веществ. Отдельный блок такой информации, т. е. смысловой отрезок ДНК, является единичным геном.

Когда этот ген включается, клетки начинают производить определенные белки, что приводит к запрограммированным биологическим процессам. ДНК служит матрицей для производства веществ, обеспечивающих протекание различных процессов в организме и само существование организма. Записать формулу гена можно как АГЦ-ТТА-ЦТГ-… и т. д., т. е. в виде любой кодирующей последовательности.

Расположение информации на молекуле нуклеиновой кислоты имеет следующий вид: САЙТ — БЕЛОК НОМЕР ОДИН («формула») — САЙТ — БЕЛОК НОМЕР ДВА. Под сайтом понимается участок узнавания, по которому организм отличает одну запись от другой. Впрочем, у некоторых вирусов, разновидностей т. н. бактериофагов, запись генетического кода очень неразборчива, в ней одни гены наслаиваются на другие: БЕЛОК НОМЕР ОДИЕЛОК НОМЕР ДВАЛОК НОМЕР ТРБЕЛОК… и т. д.

Размеры генов ничтожны. Если собрать все ДНК из клеток взрослого человека, то молекулы свободно уместятся в наперстке. Но при этом объем хранимой веществом наследственности информации колоссален. Если сравнить молекулу ДНК с перфокартой, то количество информации на первой напрямую зависит от протяженности молекулы. Ученые вычислили суммарную длину всей человеческой ДНК и получили астрономическое число — 60 млрд км! То есть если вытянуть ДНК из всех клеток человека в мировом пространстве в виде тончайшей нити, то эта нить протянется от Земли в 10 раз дальше, чем находится от нас планета Плутон.

Вещество податливо и после должной обработки приобретает те свойства, которые выгодны человеку. Дезоксирибонуклеиновая кислота — не исключение, она также способна видоизменяться, если правильно на нее воздействовать. А это означает возможность преобразования живой материи. Генетики (ученые, занимающиеся секретами наследственности), поставили перед собой несколько задач. Если эти задачи удастся без проблем решить, то человечество сможет управлять генетическим кодом и создавать новые виды организмов.

Первой задачей является выделение гена. Его нужно найти на бесконечно длинной двойной нити ДНК и вырезать оттуда. Это весьма сложно сделать не только технически, но даже теоретически: отрезок молекулы выбирается из десятков тысяч схожих отрезков. Затем необходимо научиться синтезировать ген, получать его искусственным путем в лаборатории в любых масштабах.

Эта мера вовсе не излишняя. Допустим, сельское хозяйство нуждается в овощах, содержащих животные жиры. Для этого необходимо внедрить овощам соответствующий животный ген. Но сначала его требуется найти в клетках животных и выделить оттуда, а затем размножить. В единичном экземпляре ген не представляет интереса. С одним геном нельзя провести серию экспериментов, нельзя обеспечить гибридизацию в масштабах всего растениеводства.

То есть первоначально выделенный отрезок ДНК будет использован в качестве матрицы, на основе которой произведут множество аналогичных генов, которыми можно будет смело пользоваться в исследовательских и хозяйственных целях. Третьей задачей является модификация гена. Полученный отрезок кислоты необходимо предварительно переработать, изменить его размеры и свойства.

На завершающей стадии от ученых требуется научиться внедрять генетический материал в чужие клетки и активировать его. Ген может попасть в такую область, где не станет функционировать. Вот почему необходимо, во-первых, точно разместить его на новом месте и подсоединить к уже имеющемуся генетическому материалу, а во-вторых, заставить там полноценно работать. Реализовать поставленные задачи оказалось возможным лишь в последние годы, когда была создана генная инженерия.