Особое место в молекулярной биологии занимают нуклеиновые кислоты. Собственно само возникновение молекулярной биологии обязано работам по нуклеиновым кислотам. Именно в этой области сделаны открытия, позволившие расшифровать механизм важнейшей стороны жизни – наследственности. Эти открытия принадлежат к величайшим достижениям науки XX в., и их значение по праву сравнивают с открытиями радиоактивности и расщепления атомного ядра. Результаты проведенных работ поражают тем, что еще совсем недавно решение вопроса, каким образом происходит передача свойств от клетки к клетке в ряду поколений, представлялось делом невообразимо отдаленного будущего.
Исследования в области нуклеиновых кислот привели к созданию и бурному развитию ряда новых биологических дисциплин – молекулярной биологии, бионики, биокибернетики, вызвали мощный приток научных сил к исследованиям в биологии.
Открытие нуклеиновых кислот связано с именем молодого врача из города Базеля (Швейцария) Фридриха Мишера. Его дядя, профессор анатомии Вильгельм Гис, выдающийся ученый и педагог того времени, оказал на молодого Мишера большое влияние. После окончания медицинского факультета Мишер был послан для усовершенствования и работы над диссертацией в Тюбинген (Германия) в физиолого-химическую лабораторию, возглавляемую Ф. Гоппе-Зейлером. Тюбингенская лаборатория в то время была известна ученому миру. В ней проводились работы по химическому анализу тканей животного организма. Пройдя практику по органической химии, Мишер приступил к работе в биохимической лаборатории. Ему было поручено заняться изучением химического состава гноя. Молодой ученый не возражал против предложенной темы, так как считал лейкоциты, присутствующие в гное, одними из самых простых клеток. Для получения материала пришлось связаться с хирургическим отделением местной больницы, где собирались бинты, снятые с больных при перевязках. Мишер вымачивал бинты в разбавленных солевых растворах, и гнойные клетки (лейкоциты) осаждались на дно сосуда.
Получив гнойные клетки, Мишер выдерживал их в течение некоторого времени в разбавленном солевом растворе. Исходя из опыта лаборатории, он знал, что при этом протоплазма клеток постепенно растворяется. Из нерастворившегося осадка, который, по его представлениям, подтвержденным микроскопическими исследованиями, являлся осадком ядер клеток, Мишер экстрагировал слабым раствором соды вещество, которое выпадало в осадок при нейтрализации. Это вещество не распадалось при действии протеолитических ферментов и содержало большое количество фосфора, не экстрагируемого горячим спиртом.
Молодой исследователь сразу понял важность получения нового органического фосфорсодержащего вещества ядерного происхождения. Он был уверен именно в ядерном его источнике. Поэтому Мишер предпринял более тщательное выделение ядер. В то время еще никто в биохимических лабораториях не пытался выделить ядра или какие-либо другие субклеточные компоненты, так что и здесь он был пионером. При микроскопическом наблюдении препарата оказалось, что ядра были загрязнены другими клеточными фрагментами. Чтобы далее их очистить, Мишер стал добавлять в слабый раствор соляной кислоты экстракт из желудка свиньи, содержащий протеолитический фермент пепсин. Полученные таким образом ядра выглядели несколько сжатыми, но были свободны от цитоплазматического загрязнения. Далее он промывал ядра и обрабатывал их горячим спиртом для удаления липидов, затем препарат ядер экстрагировал разбавленным раствором соды и осаждал осадок после нейтрализации раствора добавлением кислоты. Полученный препарат легко растворялся в щелочи. Новое вещество было подвергнуто элементарному анализу. В нем оказалось 14% азота и примерно 6% фосфора. Мишер использовал также указания цитологов о сродстве ядер клеток к основным красителям. Препарат Мишера давал интенсивно окрашенный осадок с д основным красителем метиловым зеленым. После этих экспериментов Мишер уже не сомневался в том, что он выделил субстанцию ядерного происхождения. Поскольку оно не разлагалось протеолитическими ферментами, новое вещество не являлось белком. Отсутствие растворимости в горячем спирте указывало на то, что это вещество не являлось и фосфолипидом. По-видимому, оно относилось к новому классу биохимических соединений. Ввиду ядерного происхождения Мишер предложил для него название «нуклеин» (лат. «нуклеус» – ядро).
К открытию нуклеина руководитель лаборатории Гоппе-Зейлер отнесся скептически. Гоппе-Зейлеру казалось маловероятным существование в ткани каких-либо новых веществ, кроме уже давно и хорошо известных – белков, углеводов, липидов. Из известных веществ высокий процент фосфора содержался в так называемых фосфолипидах (фосфатидах). Полученный нуклеин Гоппе-Зейлер склонен был трактовать как соединение белка с примесью фосфатидов. На памяти Гоппе-Зейлера и прежде в лаборатории были случаи, когда молодыми учеными делались «открытия», которые через короткое время бесславно «закрывались», так как часто новое и необычное оказывалось результатом грязной или спешной работы или технической ошибки. Гоппе-Зейлер был осторожный, очень опытный исследователь. Он дорожил репутацией своей лаборатории и не мог допустить публикации сомнительных или недостоверных данных. Но Мишер с большой горячностью настаивал на точности своих результатов и добивался разрешения опубликовать их в печати. Тогда ГоппеЗейлер решил проверить данные Мишера лично. Он и два его ассистента (одним из них был русский химик Любавин) в течение года шаг за шагом прошли все этапы аналитической работы Мишера и полностью подтвердили его данные, выделив нуклеин из клеток крови и из дрожжей. В 1871 г. работа Мишера вместе с подтверждающими ее контрольными работами Гоппе-Зейлера и его ассистентов увидела свет. Существование нуклеина как специфического ядерного вещества стало научным фактом. Вскоре методика Мишера была применена для выделения нуклеина из различных тканей. Наличия нуклеина с точки зрения ученого нельзя было ожидать в эритроцитах млекопитающих, так как в них нет ядер.
В наше время, когда исключительная роль нуклеиновых кислот известна каждому, понятно громадное значение пионерской работы Мишера. Но в то время ни он сам, ни Гоппе-Зейлер не имели ясного представления о настоящем значении этих исследований и не могли предвидеть их значение в будущем. Именно поэтому дальнейшее развитие исследований по нуклеину подвигалось медленно. Все это хорошо иллюстрирует не раз высказанную мысль, что исследователь и его современники нередко не осознают полностью значения выполняемого исследования, но, если оно произведено правильно и полученные результаты отражают объективную реальность, оно рано или поздно найдет истинное место в науке.
Год работы в лаборатории Гоппе-Зейлера окончился для Мишера осенью 1869 г., и он вернулся в Базель. Здесь он решил выделить нуклеин из ядер других клеток. Мишер искал ткань, в которой ядра составляли бы относительно большую часть объема клеток. Из гистологии Мишер знал, что такими клетками являются сперматозоиды. Сперматозоид состоит из головки и тоненького хвостика. Головка представляет почти чистое ядро, цитоплазмы в сперматозоиде относительно мало. Сразу же нашелся и источник сперматозоидов – молоки рейнского лосося. Эти клетки содержали огромные ядра, где было сосредоточено более 90% клеточного материала. Исследования молок, выполненные Мишером в 1873–1874 гг., дали новые важные результаты. Следует отметить, что в это время ученый был так занят преподавательской деятельностью, что мог проводить химические анализы только по ночам и воскресеньям.
Мишер изолировал из молок рейнского лосося высокоочищенный нуклеин, который ему удалось разделить на составные части: белковоподобный компонент, обладающий щелочными свойствами, и остаток, не содержащий белка. Этот остаток содержал высокий процент фосфора, который нельзя удалить горячим спиртом, и обладал кислотными свойствами. Белковоподобный компонент нуклеина исследователь назвал протамином. Свободный от белка остаток нуклеина был назван в 1889 г. нуклеиновой кислотой. Это название оказалось удачным и сохранилось до настоящего времени. В ядрах молок рыб присутствовали, таким образом, и нуклеиновая кислота, и щелочной протамин. Мишер высказал предположение, что оба эти вещества находятся в ядрах в комплексе: они нейтрализуют друг друга, образуя солеобразное соединение. Он понимал, что нуклеиновая, кислота является высокомолекулярным соединением, так как препараты этого вещества не проходили через пергаментные фильтры. Ему было также ясно, что для получения хороших препаратов нуклеина работу по его выделению нужно проводить на холоде.
Последние десятилетия XIX в. явились волнующим периодом в биологии. Экспериментальные открытия и гипотезы, объясняющие новые факты, появлялись в то время с большой интенсивностью.
Существование нового типа веществ в ядрах клеток вызвало борьбу идей относительно их биологической роли. В этой борьбе на некоторое время одержало верх правильное представление о нуклеине как носителе наследственных свойств живого. Однако в ходе дальнейшего развития биологии от этой важной идеи отказались, и понадобилось еще полвека, чтобы эта мысль возродилась вновь, была полностью подтверждена и вызвала ту революцию в биологической науке, которая наблюдается в наше время. Она породила новый молекулярный подход к важнейшим биологическим явлениям.
Кратко остановимся на представлениях крупнейших ученых того времени относительно биологической роли нуклеина. Сам Мишер, как уже упоминалось, неясно представлял себе эту роль. Это неудивительно, так как роль самого ядра в клетке была еще неясна, хотя оно было идентифицировано в 1831 г. Не только Мишер, но и известный биолог В. Флемминг в 1882 г., описывая последние работы по ядру клетки, делал вывод, что относительно биологического значения ядра ученые остаются до сих пор в полной темноте. Правильные идеи относительно роли нуклеина пришли в это время со стороны тех биологов, которые занимались изучением процесса оплодотворения. Мишер выделил нуклеин, в частности, из сперматозоидов, т. е. клеток, осуществляющих оплодотворение яиц и принимающих таким образом участие в зарождении нового организма с наследственными признаками, передающимися ему от родителей. Этот факт уже указывал на возможное значение ядра и нуклеина в процессе передачи наследственных признаков. Действительно, проведенные в это время микроскопические исследования процесса оплодотворения яиц морского ежа и аскариды убедительно показали, что при слиянии ядер яйцеклетки и сперматозоида в яйцеклетке оказываются половинные наборы хромосом как яйца, так и сперматозоида, которые редуплицируются, т. е. удваиваются. После этого яйцеклетка делится на две идентичные клетки нового организма, причем в каждой клетке оказывается полный (диплоидный) набор хромосом, половина которого произошла от хромосом матери, а половина – от хромосом отца. Большинство ученых приняло тогда ту точку зрения, что хромосомы передают генетический материал и осуществляют наследственную непрерывность в ряду поколений.
Так как хромосомы находятся в ядре, было высказано предположение, что они содержат нуклеин. Далее можно было предполагать, что нуклеин является веществом, ответственным за передачу наследственных признаков от клетки к клетке. Ботаник Захариас в 1881 г. экспериментально показал, что нуклеин действительно содержится в хромосомах. Он исследовал хроматин, ядерный материал, окрашивающийся теми же красителями, что и хромосомы. Ученый удалял нуклеин из ядер, пользуясь процедурой, разработанной Мишером. При этом ядра и хроматин теряли способность окрашиваться. Эти опыты были поставлены на различных клетках как растительного, так и животного происхождения. Захариас показал также, что если переваривать клетки пепсином в процессе клеточного деления, то из клеток удалялось веретено, но хромосомы оставались и были способны окрашиваться. Однако после обработки этих клеток разбавленной щелочью хромосомы полностью переставали окрашиваться;
После этих опытов Флемминг признал роль нуклеина как вероятного субстрата наследственности. Другие ученые разделили его точку зрения. Так, в 1884 г. зоолог Гертвиг писал, что нуклеин, вероятно, является веществом, ответственным не только за оплодотворение, но и за передачу наследственных характеристик в ряду поколений. Однако в последующие десятилетия возникли и усилились сомнения в биологической роли нуклеина. К 90-м годам прошлого столетия началось интенсивное исследование больших хромосом типа ламповых щеток (они присутствовали в клетках— предшественниках яйцеклеток некоторых организмов). Оказалось, эти хромосомы не давали окрашивания на хроматин. Поэтому в начале XX в. известные цитологи Вильсон и Штрасбергер уже писали, что хроматин не может быть сам по себе наследственным веществом, потому что его количество в ядре сильно меняется, а в некоторых случаях он вовсе отсутствует. Теперь мы знаем, что хроматин всегда присутствует в ядрах, но не всегда окрашивается. Это зависит от белков, с которыми хроматин соединяется. Но в то время был сделан вывод, что индивидуальность и генетическая непрерывность хромосом не зависят от присутствия хроматина. Этот вывод вошел во все учебники и оказал значительное влияние на несколько поколений биологов, и только в конце 40-х годов нашего столетия вновь возник интерес к нуклеиновым кислотам как носителям наследственных признаков клеток.