Размотать спираль ДНК

Исполнилось ровно 55 лет со дня открытия двойной спирали ДНК, которое полностью изменило отношения человека и природы. The New Times счел эту дату достаточным поводом, чтобы задать свои вопросы одному из авторов этого величайшего открытия, нобелевскому лауреату Джеймсу Уотсону

Утром 21 февраля 1953 года молодой орнитолог (!) из Америки Джеймс Уотсон спешил в кембриджскую лабораторию, в которой довольно бесплодно провел к тому моменту уже полтора года. Он изучал ДНК — не очень популярную в то время молекулу, которой, впрочем, несколько увлеченных людей приписывали свойства наследственного материала.

ДНК — огромная молекула, состоящая из тысяч последовательно соединенных частиц — нуклеотидов четырех типов (они называются А, Т, Г и Ц). Как мы теперь знаем, четыре типа нуклеотидов, будто буквы в словах, несут информацию о строении всех белков в живых организмах; это значит — всю информацию о работе этих организмов.

Но пятьдесят пять лет назад об этом еще ничего не знали, равно как не была известна и сама структура этой гигантской молекулы. Было известно только, что нуклеотиды соединены в длинные цепочки и что соблюдается такое правило: количество нуклеотида А всегда совпадает с количеством Т, а количество Г равно количеству Ц.

Накануне того знаменательного дня Уотсон заказал в мастерской металлический конструктор, чтобы было удобнее гадать, как может быть устроена молекула ДНК. Конструктор должны были доставить через два дня, но молодому ученому не терпелось — и он вырезал картонные модели этих самых нуклеотидов и стал вертеть их в руках. И вот тут-то Уотсон неожиданно для себя увидел, что нуклеотид А, оказывается, может соединяться с нуклеотидом Т, а Г — с Ц, эти пары подходят друг к другу как ключ к замку. Такое соответствие ученые называют комплементарностью. Из этого Уотсон сделал вывод, что ДНК состоит из двух длинных цепочек нуклеотидов, которые слеплены между собой по принципу комплементарности: А всегда стоит напротив Т, а Г — напротив Ц. Данные рентгеноструктурного анализа говорили, что ДНК должна иметь вид спирали; Уотсон закрутил свою пару цепочек штопором, и отсюда родилось известное всему миру название: двойная спираль.

Секреты двойной спирали

Открытие Уотсона и коллег¹ имело колоссальное значение. Дело в том, что люди уже давно искали наследственное вещество в живых клетках; идея, что это должна быть молекула, которая умеет сама себя воспроизводить, основываясь на принципе комплементарности, высказывалась еще в двадцатые годы.

Действительно, при делении клеток двойная спираль ДНК расплетается, и на каждой цепочке достраивается комплементарная — получаются две точно такие же молекулы. Если речь идет о половых клетках, они покидают организм родителя и несут наследственную информацию — в бесконечной череде поколений.

Пока клетки не делятся, ДНК выполняет свою основную функцию: на основе закодированной в ДНК последовательности «букв» клетка строит все свои белки: так ДНК определяет всю жизнь клетки и всего организма.

За следующие после открытия Уотсона 20 лет был описан весь механизм хранения, использования и передачи информации при помощи ДНК. Люди научились управлять этой информацией — возникла генная инженерия. В 70-е годы обычной бактерии, кишечной палочке, вживили ДНК с информацией о человеческом белке — инсулине, и с тех пор десятки миллионов человек, больных диабетом, каждый день вкалывают себе инсулин, синтезированный этими бактериями.

Теория эволюции получила мощную материальную основу: стало ясно, что дарвиновская наследственная изменчивость на основе случайности — это случайные изменения последовательности нуклеотидов в ДНК.

Люди изучили и объяснили тысячи явлений живой природы, опираясь на устройство ДНК. Нельзя назвать ни один процесс в живом организме — от действия антибиотиков до наследственных заболеваний, от рака до ВИЧ, где не была бы задействована эта гигантская молекула и где не было бы сделано ключевых открытий, прямо или косвенно опирающихся на гениальную догадку Уотсона и коллег.

Три миллиарда «букв»

К пятидесятилетию со дня открытия ДНК лидеры G7 торжественно объявили о завершении амбициозного проекта: полной записи генома (то есть всей последовательности нуклеотидов ДНК) одного человека. Речь идет о трех миллиардах «букв», которые составляют два метра ДНК, хранящиеся в ядре каждой клетки организма донора — некоего анонима мужского пола из Нью-Йорка.

Работа над проектом длилась 13 лет: установка, посредством которой была записана ДНК, занимала несколько больших ангаров, а весь проект обошелся в $3 млрд. Сегодня геномы записываются массово: на одну запись уходит всего четыре недели, и стоит она $100 000. А по данным Национального института здоровья (США), через год-два цена опустится и вовсе до тысячи долларов.

Полная запись генома анонима из Нью-Йорка доступна исследователям. Они ведут непрерывные компьютерные эксперименты с этой записью, пытаясь угадать, какие гены отвечают за разные наследственные заболевания. Как образно выразился один из самых известных российских биологов, профессор Михаил Гельфанд, к этой записи следует относиться, как к перехваченной чужой шифровке: мы записали лишь последовательность букв, а дальше предстоит решать множество зашифрованных в них загадок. Например, известно, что одна и та же последовательность нуклеотидов ДНК может быть природой прочитана по-разному и, соответственно, привести к разным последствиям.

Ученые связывают большие надежды с записью целых геномов — большие базы данных, возможно, позволят диагностировать и лечить наследственные заболевания.

_____________
1 Нобелевскую премию в 1962 году получили и другие равноправные участники: старший коллега Уотсона Фрэнсис Крик и их конкурент Морис Уилкинс; сотрудница Уилкинса Розалина Франклин, также сыгравшая значительную роль в этом открытии, недожила до присуждения премии — она умерла от рака.