Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
11:25
14 августа
Наука

Как открытие структуры ДНК изменило медицину и биологию

Биофизик Максим Франк-Каменецкий о формах и основаниях ДНК
3 082
0
Расписание
Следующий выпуск
10 декабря 16:00
понедельник: 06:00
вторник: 11:00
четверг: 13:00
суббота: 16:00
воскресенье: 02:00, 10:00, 16:00

Кто сыграл важную роль в определении структуры ДНК наряду с Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном? Почему молекулы ДНК изначально исследовались с помощью рентгеноструктурного анализа? Как были определены комплементарные пары ДНК? Об этом рассказывает доктор физико-математических наук Максим Франк-Каменецкий.

Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука».

ДНК как молекула, находящаяся в ядре живой клетки, была открыта очень давно, еще в 60-х годах XIX века. Это открытие сделал швейцарский врач Мишер. Но по-настоящему история ДНК началась с момента открытия структуры ее молекулы, что произошло значительно позже, в 1953 году. С тех пор ДНК становится все более и более знаменитой благодаря своей центральной роли в живом организме.

Как и кем была открыта ДНК? Все знают, что ДНК была открыта двумя учеными: англичанином Фрэнсисом Криком и американцем Джеймсом Уотсоном. Открытие произошло в Великобритании, в Кембридже. Там Уотсон оказался на стажировке. Тогда он был начинающим биологом, ему было 24 года, и он приехал в Кембридж, в Кавендишскую лабораторию, потому что уже был совершенно увлечен идеей определения структуры молекулы ДНК. К этому времени уже накопились данные, которые для него были убедительны, хотя далеко не для всех они были убедительны, что ДНК является носителем генетической информации. И там, в Кавендишской лаборатории, он встретил Крика, с которым они быстро сдружились — именно потому, что у Крика был точно такой же пунктик, он тоже совершенно был поглощен идеей, что тайна гена может быть раскрыта путем определения структуры молекулы ДНК.

Но у них не было никаких возможностей проводить эксперименты. Эксперименты с ДНК делались в другой лаборатории, тоже в Великобритании, в Лондоне, в Королевском колледже, и эти эксперименты проводились Розалиндой Франклин, специалистом по рентгеноструктурному анализу, — она и сыграла ключевую роль в дальнейшей драме, которая развернулась по определению структуры ДНК, наряду, конечно, с Уотсоном и Криком.

Розалинда работала над ДНК, ее структурой, и хотя она была не первая, кто пытался сделать снимки рассеяния рентгеновских лучей от ДНК, ей удалось сделать кардинальный шаг в правильном направлении. Дело в том, что для рентгеноструктурного анализа обычно нужно получать кристаллы молекул. В ДНК очень длинные молекулы, которые не кристаллизуются. Поэтому вместо кристаллов Розалинда изучала волокна ДНК. То есть ДНК высушивались, это был не раствор, а такой кисель, из которого вытягивались в одном направлении молекулы, и они выстраивались более-менее в одном направлении. Затем на них направлялся пучок рентгеновских лучей, изучалась картина рассеяния этих лучей.

Она столкнулась с очень серьезной трудностью: фотографии, которые при этом получались, были очень плохо воспроизводимы и совершенно невразумительны.

И вот тут она сделала этот выдающийся шаг. Она решила, что, возможно, там имеется смесь структур, это соотношение структур плохо контролируется и, может быть, это зависит от влажности образца. Она сделала камеру, в которой поддерживала фиксированную влажность, и стала менять эту влажность. И действительно, она обнаружила, что при высокой влажности одна картина рассеяния, при низкой влажности совершенно другая картина рассеяния. И то, что она наблюдала до этого, было неконтролируемой смесью этих двух. Она поняла, что наблюдает две разные формы молекулы ДНК, и она назвала форму при низкой влажности A-формой, а форму при высокой влажности B-формой. И, конечно, B-форма представляла наибольший интерес, потому что в клетке ДНК находится при высокой влажности, в воде.

Важнейшим событием в этой драме было то, что Уотсону и Крику стала известна эта рентгенограмма, эта картина рассеяния. На самом деле Розалинда хотела определить структуру ДНК сама, и она не хотела, чтобы кто-то в этот процесс вмешивался. Но у нее никак не доходили руки до того, чтобы разобраться как следует в этой рентгенограмме. Она что-то уже поняла, важные вещи она поняла, глядя на эту рентгенограмму. Но структуру она не построила. А Уотсон и Крик узнали об этой картинке. Им это стало известно не совсем этичным путем, потому что Розалинда не хотела, чтобы кто-то это видел и интерпретировал. Им удалось раздобыть эту картину, и они немедленно поняли основные параметры структуры ДНК.

Дальше стали уже строить модель, исходя из этих параметров, которые получились из эксперимента Розалинды Франклин. И, конечно, абсолютно важнейшим шагом было, когда Уотсон — как он описывает очень драматично в своей знаменитой книге «Двойная спираль», где он свою версию событий излагает, — стал пытаться сделать пары из четырех оснований, которые входят в состав ДНК. Он, уже зная, что это две нитки, что это двойная спираль, пытался сделать пары из них, и это ему в конце концов удалось, это теперь знаменитые комплементарные пары А – Т и G – С. И когда он это сделал, то у них получилась замечательная красивейшая модель B-формы ДНК, которая и есть знаменитая двойная спираль, она и есть та самая структура, в виде которой генетическая информация хранится во всех клетках всех живых организмов на Земле.

Так было сделано, наверное, самое выдающееся открытие, по крайней мере, в области биологии и медицины, самое выдающееся открытие в истории этих наук, может, и самое выдающееся открытие в истории науки вообще. Удивительно, что эта статья была очень быстро напечатана и занимала ровно одну страницу журнала Nature. Это очень короткая статья. Великое открытие не требует длинного объяснения.

С этой публикации, которая была осуществлена 25 апреля 1953 года, начинается отсчет времени новой эры в истории человеческой цивилизации, эры ДНК, когда мы знаем, что все живые организмы построены согласно инструкции, заложенной в молекуле ДНК, в последовательности звеньев из четырех букв: А, Т, G и C, — в последовательности ДНК, и эта ДНК представляет собой двойную спираль диаметром 2 нанометра, очень длинную — в зависимости от количеств звеньев в цепочке.

Если ДНК взять из одной клетки человека и вытянуть в одну линию, то получится молекула маленькой толщины и длиной приблизительно 2 метра. Теперь все наше знание, все наше понимание и биологии, и медицины основывается на том, что мы знаем структуру ДНК, и мы знаем, что ДНК является носителем генетической информации. Это знание дает нам возможность необыкновенно эффективно вмешиваться в процессы, явления жизни на всех уровнях: и в микроорганизмах, и в высших организмах, и в человеке.

Фото: ПостНаука