Хроника великого открытия: идеи и лица
В.А. Ратнер
Наука середины XX в. была потрясена открытием генетического кода. Хотя этого события и ожидали все ученые, но когда оно произошло (1965), научный мир не удержался от рукоплесканий. "Финалисты" решения этой проблемы (Ф.Крик, Дж.Уотсон, М.Уилкинс, М.Ниренберг, Г.Корана, Р.Холли) были увенчаны Нобелевскими премиями. Проблема генетического кода заняла центральное место в учебниках биологии, генетики, молекулярной биологии, биофизики и остается там до сих пор.
Однако за громом оваций не всегда заметно истинное движение и развитие этой великой идеи, связанное с именами выдающихся физиков и биологов. Многие из них были гениями русской и мировой науки, но попробовать себя в этой проблеме стремились почти все. Идея кодирования генетической информации вызревала постепенно, как бы переходя из рук в руки в соответствии с "принципом одиночного касания". Есть такой способ игры в баскетболе: игра в одно касание. Развитие этой идеи я постараюсь показать "в лицах", как это представляется нам сегодня.
Наследственные молекулы
Представление о дискретных наследственных факторах было сформулировано основателем генетики Грегором Менделем еще в 60-е годы прошлого века, но принято и осознано наукой [1] только в начале XX в. Тогда же В.Иоганзен назвал эти факторы генами, а местом их локализации в клетке единодушно были признаны хромосомы ядра. Однако вплоть до 50-х годов ничего не было известно ни о материальной природе генов, ни о механизмах их действия и контроля над формированием признаков. О генах судили "заочно", не зная, что конкретно кроется за этим словом. Как пошутил позже один из ныне здравствующих генетиков-теоретиков: "Ген - это мифическая единица якобы наследственности". Или, как совершенно серьезно сказал известный американский генетик С.Бензер: "Гены - это атомы наследственности". Атом - значит неделимый!
|
|
В 1927 г. русский ученый Николай Константинович Кольцов, известный цитолог и генетик, член-корреспондент АН СССР и директор Института экспериментальной биологии, выступил с докладом, где изложил свои довольно гипотетические взгляды на материальную природу генов и хромосом [2]. Противоположную точку зрения выразил профессор-химик А.А.Колли. Он сопоставил размер головки сперматозоида (ca. 30 мкм у человека), в котором заключена половина всей наследственной информации потомка, с известными тогда размерами белковых молекул. Получалось, что в этом объеме могло находиться лишь немного больших молекул, чуть превышающее число самих хромосом.
Итак, наследственность очень сложна в биологическом отношении, но проста в химическом. Совместимы ли эти точки зрения? Студент Кольцов запомнил эту коллизию. Через 35 лет, уже будучи зрелым ученым, он сформулировал одну из первых гипотез о материальной природе хромосом и генов. Разумеется, это было сделано на уровне знаний своего времени, поэтому многие представления потом существенно изменились, но наиболее глубокие предположения оказались верными. В 1935 г. Кольцов изложил эту гипотезу в более развернутой и иллюстрированной форме3.
К этому времени уже были открыты некоторые свойства белков. Во-первых, стали известны молекулярные массы белков, лежащие по оценкам в интервале 10 - 2000 тыс. Д. (Теперь такие молекулы называют макромолекулами.) Во-вторых, было показано, что разные белки распадаются на аминокислоты не менее 17 типов (в дальнейшем - 20). Если представить себе, что белки - линейные молекулы, а по рентгеноструктурным данным линейный размер аминокислот около 0.003 мкм, то линейные цепочки всего из 100 звеньев составят уже 0.3 мкм, что вполне сопоставимо с видимыми размерами хромосом и клеточного ядра (3 - 10 мкм).
|
|
Кольцов предположил, что хромосомы - это огромные молекулы белков или пучки таких молекул. Других длинных молекул, состоящих из гетерогенных мономеров, в клетках тогда не знали. Тимонуклеиновая кислота (будущая ДНК) рассматривалась как "сравнительно простое органическое соединение, которому было бы странно приписывать роль носителя наследственных свойств".
Хромосома содержит две генонемы, т.е. два пучка одинаковых белковых молекул. Такие гетерогенные упорядоченные хромосомы-молекулы могут иметь огромное число изомеров (комбинаторных вариантов) одинакового состава, но разного порядка символов-генов. Поскольку последовательность генов наследуется, то хромосома даже в интерфазе клеточного цикла (когда ее не видно в микроскоп) не может распадаться на компоненты-гены; иначе они не смогут снова сложиться в прежнем порядке. Поэтому в процессе воспроизведения хромосомы-молекулы последовательность генов должна сохраняться. По биологической традиции это соображение было облечено в форму афоризма: "Каждая молекула от молекулы" (лат. - "Omnis moleсula ex moleсula").
|
|
"Если мы признаем, что самой существенной частью хромосомы являются длинные белковые молекулы, состоящие из нескольких десятков или сотен атомных групп радикалов (всего-то! - В.Р.), то моргановское представление о хромосоме как о линейном ряде генов получит ясную конкретную основу. Радикалы хромосомной молекулы - гены - занимают в ней совершенно определенное место, и малейшие химические изменения в этих радикалах, например отрыв тех или иных атомов и замена их другими <<...>> должны являться источником новых мутаций".
Из предложенной Кольцовым схемы организации хромосомы вытекает, что можно поискать такие химические вещества, которые способны модифицировать боковые радикалы, т.е. возможен индуцированный химический мутагенез. В середине 30-х годов он предложил своим молодым сотрудникам начать поиск таких химических мутагенов. Наибольшего успеха из них добился Иосиф Абрамович Рапопорт, который по праву считается одним из первооткрывателей химического мутагенеза [4].
Сейчас мы можем объективно оценить идею Кольцова, который первый предположил, что генетический "каркас" хромосомы составляет гигантская линейная макромолекула, построенная из ограниченного разнообразия мономеров. Эта гипотеза полностью оправдалась, правда, для молекул ДНК, а не белков (хотя белки тоже имеют линейную структуру и состоят из мономеров).
Вместо случайной сборки генов в хромосому при ее удвоении Кольцов предложил фактически матричный принцип воспроизведения хромосом, сохраняющий порядок генов. Для этого он постулировал как бы "гомологию" отношений между одноименными боковыми радикалами (генами). Все это хорошо согласовывалось с тогдашними представлениями генетиков о гомологичном спаривании генов в мейозе, о линейной структуре хромосом и т.д. Кроме того, эта идея фактически натолкнула его на мысль о реальности химического мутагенеза.
Разумеется, многие частные детали и гипотетические представления не выдержали испытания временем. Главную роль в гипотезе Кольцова играют белки, а нуклеиновые кислоты оказались "за кадром" построенной схемы. Но такова была реальность того времени. Время нуклеиновых кислот пришло позже - в конце 40 - начале 50-х годов. Линейные размеры макромолекул белков действительно приближаются к размерам хромосом, но надо учесть, что глобулярные белки свернуты в пространственные глобулы, диаметром 2 - 10 нм, что в тысячи раз меньше их линейных размеров. Молекулы нуклеиновых кислот еще длиннее: в гаплоидном гене человека 3·109 нуклеотидов, занимающих в длину около1 м, а их объем составляет всего 20 мкм3! Хромосомы содержат не сотни генов, а десятки тысяч. Линейный размер генов тоже значительно больше, чем размеры боковых радикалов аминокислот.
Идея хромосомы-молекулы произвела глубокое впечатление на ближайшего ученика Н.К.Кольцова - Н.В.Тимофеева-Ресовского.
Классическая зеленая тетрадь
Ученик Н.К.Кольцова, выдающийся русский генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский в 1924 - 1945 гг. работал в Германии. К середине 30-х годов он возглавлял Отдел генетики Института мозга им.Кайзера Вильгельма. Одно из направлений его работы было связано с развитием кольцовской идеи о физико-химической природе генов и хромосом. Кроме того, он имел обширные контакты с физиками-теоретиками копенгагенской школы, хорошо знал Нильса Бора и увлекался квантовой теорией Бора. В начале 30-х годов в лаборатории появился молодой физик-теоретик Макс Дельбрюк, ученик Макса Борна. Между ними произошло следующее "касание", обогатившее идею молекулы-гена. Вот как сам Н.В. описывает развитие этих событий:
"Отвечу на вопрос, имел ли я влияние на Дельбрюка, особенно в смысле кольцовской идеи о наследственной молекуле. Никакого особенного влияния тогда не имел. Это он выдумывает <<...>>, конкретное переманивание Дельбрюка в биологию <<...>>, я, сознаюсь, произвел <<...>>. А он, будучи "хаузтеоретикер" (домашний теоретик) у самого Хана (Отто Гана. - В.Р.), думал, что теоретик-физик - он все знает и кое к чему может снизойти. А прочее человечество - это такие придурки какие-то, человекообразные. Поэтому он к нам явился, так сказать, с откровением, что вот, между прочим, отбором ведь можно количественно заняться <<...>>. Тогда я позволил себе из собственной лабораторной периодики извлечь около дюжины книг, презентовал их ему, что "Америки вы покеда не открыли" <<...>>. Он был несколько этим смущен. Он, что говорить, очень горд был. И с тех пор попросился в нашу Буховскую группу <<...>>. Ну и тут мы быстро сконтачили. Я рассказал ему про кольцовское общее представление о молекулярной биологии генов ли, хромосом, что мы тогда <<...>>, пытались экспериментально показать мономолекулярность принципиальную, в общем смысле, генов. То есть что это единая физико-химическая элементарная структура, так сказать, а не кусочек сливочного масла <<...>>. Он в этом принял участие. Из этого родилась так называемая потом классическая зеленая тетрадь.
Да, повлиял. Но какое это влияние - треп один" [5].
Тут Н.В. явно поскромничал. Его сотрудник Карл Циммер вспоминал впоследствии:
"Мы встречались два-три раза в неделю, в основном - в доме Тимофеева-Ресовского в Берлине, где мы разговаривали по десять и более часов без перерыва, лишь иногда поглощая пищу в ходе разговоров. Не могу судить, кто больше почерпнул из этого обмена идеями, знаниями и опытом, но является фактом, что через несколько месяцев Дельбрюк столь глубоко заинтересовался количественной биологией, и особенно - генетикой, что остался в этом поле навсегда" [6].
Иначе говоря, это был, как теперь говорят, "мозговой штурм". Зная неудержимый характер Н.В. и его идейное доминирование в любой аудитории, могу сказать, что именно он сеял семена, а его молодые коллеги слушали, не отрываясь.
В конце 20 - середине 30-х годов Тимофеев-Ресовский и его сотрудники изучали закономерности возникновения мутаций под действием рентгеновских лучей и других жестких излучений. Главная идея состояла в том, что квант излучения или частица ионизируют атомы внутриклеточного вещества. При этом возникают мутации генов. Если механизм мутаций одноударный, т.е. один акт ионизации в объеме мишени вызывает мутацию, то число мутаций (N*) при облучении растет по закону
N*=N0{1 - exp(- vD)},
где N0 - начальное число мишеней в объеме v, D - доза облучения, измеряемая числом пар ионов в см3. В тканях дрозофилы доза в один рентген вызывает 1.6·1012 актов ионизации на см3. Поэтому константа v имеет размерность см3, т.е. объема мишени, ионизация которой достаточна для возникновения мутации. Измерив N0, N* и D, можно оценить объем мишени, которая предположительно отождествляется с геном, т.е. - физический размер гена. По представлениям Тимофеева-Ресовского, ген - неделимая элементарная единица, своего рода атом наследственности, а его мутации - изменения внутреннего состояния.
Подсчет рецессивных летальных мутаций в X-хромосоме дрозофилы, по данным для различных излучений, показал, что v=1.77·10 - 17 см3. Это соответствует сфере диаметром d=3.2·10 - 6 см = 32 нм. Поскольку характерные межатомные расстояния 0.2 - 0.3 нм, а средний объем атома (8-27)·10-3 нм3, значит, число атомов в гене 300 - 1000, а характерный размер гена 2 - 3 нм (по более поздним оценкам [7], 2 - 6 нм). Для сравнения [8], диаметры молекул глобулярных белков 2 - 10 нм. Если среднее число атомов, составляющих мономеры белков (аминокислоты), равно 15, то воображаемый ген-белок должен состоять из 20 - 70 аминокислот. Сегодня мы знаем, что это число занижено. Наконец, по более поздним и точным оценкам Тимофеева-Ресовского и Циммера, средний объем мишени 1700 нм3, что соответствует диаметру сферы 25 нм, числу атомов 6.3·105 - 2.1·106 и числу пар нуклеотидов (для ДНК) 10000 - 40000. По современным данным, эти цифры для генов дрозофилы не завышены.
Тем не менее сделанный авторами вывод ясен: ген - макромолекула, состоящая из 100 мономеров и более, как и предполагал Кольцов. Поэтому хромосома-молекула должна быть в сотни и тысячи раз больше. При взаимодействии с излучениями молекула-ген должна проявлять квантовые свойства. Из химии, в том числе - квантовой, известно, что сложные молекулы могут иметь изомерные формы, т.е. различные структуры при том же составе. Если гены-молекулы построены из небольшого разнообразия мономеров, то комбинаторика вариантов одного состава огромна. Например, для линейных молекул из L мономеров, принадлежащих к n различным типам, число изомеров будет
__L!
--------------------
k1! k2!... kn!
где ki - число мономеров i-го типа.
Дельбрюк предположил, что изомеры соответствуют аллелям гена, а изомерные переходы - мутациям. С другой стороны, изомеры отвечают дискретным энергетическим состояниям молекулы в потенциальных ямах, которые разделены потенциальными барьерами конечной величины (порогами). Туннельный эффект сквозь эти барьеры маловероятен, и чем выше порог, тем дольше ожидание. Однако если поступившая извне энергия достаточна для преодоления барьера (т.е. для ионизации), то произойдет радиационная индукция изогенного перехода, т.е. мутация. Ясно также, что большая молекула имеет огромное число дискретных устойчивых состояний-аллелей.
Интересно, что уже в 50-е годы идея изомерных переходов между квантовыми состояниями генов нашла реальное воплощение. Было показано, что азотистые основания нуклеотидов ДНК имеют так называемые таутомерные варианты. Таутомеры образуют различное число водородных связей в ДНК и в результате - пары с другими нуклеотидами, нарушая канонические правила комплементарности: A - T и G - C. Квантовые таутомерные переходы вносят свой вклад в спонтанный мутагенез. А многие химические мутагены - аналоги нуклеотидов - имеют повышенную вероятность таутомерного перехода, т.е. индуцируют мутационные замены нуклеотидов в ДНК.
В 1935 г. Тимофеев-Ресовский, Циммер и Дельбрюк по приглашению Геттингенской академии естествознания сделали доклад о структуре гена и механизме мутаций, который затем был опубликован в виде небольшой тетради с зеленой обложкой и получил название "Классическая зеленая тетрадь" [9]. Позже в своих воспоминаниях Н.В. писал:
"Я лично с 40-х годов больше этим не занимаюсь. Правда, меня многие, особенно там, за рубежом, считают чем-то вроде деда этого направления. Потому что новая, послевоенная редакция его была запущена Дельбрюком, а Дельбрюку соответствующую вещь я заправил в мозги в 30-е годы. Вот с этого, в сущности, пошло все, с этой самой нашей классической, так называемой "зеленой тетрадочки" Геттингенского общества наук. Ну и пусть, значит, дальше развивается на доброе здоровье" [10].
Не следует думать, что "модель трех" в полной мере выдержала испытание временем. Оказалось, что оценка размера генов, действительно, не очень далека от реальной, а гены - макромолекулы, но не белки, а сегменты ДНК. Квантовые явления действительно участвуют в первичном мутагенезе, но совсем не так, как предполагал Дельбрюк. В модели рассматривались и другие важнейшие свойства генов - способность к удвоению и к контролю признаков клетки и организма и др. Именно Тимофеев-Ресовский предложил тогда идею (и термин) конвариантной редупликации генов, т.е. их способности "рядом с собой построить себе точно подобные и оттолкнуть", но с включением в себя наследственных вариаций, мутаций.
Главное значение этой модели состоит в том, что она привлекла к проблеме гена многих выдающихся физиков. В дальнейшем это оказалось решающим событием в ходе выяснения молекулярной природы генов, зарождения молекулярной биологии и генетики, развития информационно-кибернетического подхода в генетике.
В 1938 г. Дельбрюк, настроенный антинацистски, воспользовался поддержкой Рокфеллеровского фонда и уехал в США, полностью посвятив свою деятельность вопросам молекулярной генетики. Опыт физика, вероятно, подсказал ему, что для успешного решения проблемы гена следует найти такие биологические объекты, которые по размеру минимально отличались бы от генов. Дельбрюк выбрал бактериофагов. В то время (1939 - 1940) никто не предполагал, что фаги подчиняются законам генетики. Вместе с А.Херши, американским вирусологом, и С.Лурия, молодым вирусологом, эмигрантом из Италии, они организовали "фаговую группу", которая впервые использовала фаги как генетические объекты. В дальнейшем Дельбрюк, Лурия и Херши получили Нобелевскую премию за основополагающие исследования по генетике бактериофагов.
Таким образом, "касание" Н.В.Тимофеева-Ресовского и М.Дельбрюка породило квантовую модель гена-молекулы. В свою очередь, "модель трех" и "Зеленая тетрадь" произвели сильное впечатление на Э.Шредингера - одного из создателей квантовой механики.