Глава 8 Молекула жизни, или Яблоко раздора

В этой главе речь пойдет об открытии, определившем развитие современной науки о живом и непосредственно касающемся нанотехнологий. Это открытие – расшифровка структуры ДНК – многие считают важнейшим в истории ХХ века. Моя задача облегчается тем, что почти все участники тех событий написали о них подробные воспоминания. Весь сюжет уложился в весьма короткий период времени – с осени 1951 года до весны 1953-го.

Удивительно, но с формальной точки зрения ДНК открыли раньше хромосом. В 1869 году швейцарский ученый Иоганн Фридрих Мишер, разглядывая под микроскопом гной на перевязочном материале, обнаружил в ядрах клеток неизвестное вещество и назвал его – по местонахождению – нуклеином. Хромосомы разглядели несколькими годами позже, когда научились подкрашивать их определенными красителями. Собственно, за это свойство поглощать красители их и назвали хромосомами (“хрома” по-гречески – “цвет”).

Долгое время о нуклеине было известно лишь то, что он является кислотой, обладает очень большой молекулярной массой, содержит фосфор и, в отличие от белков, химически инертен и стабилен. В 1919 году Фебус Левин[34] установил наконец его химический состав, в который входили остатки сахара (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты, а также четыре азотсодержащих органических основания – аденин, гуанин, тимин и цитозин. Вещество обрело привычное нам имя – дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. Была высказана гипотеза о ее строении: органическое основание соединяется с остатком дезоксирибозы с образованием нуклеозида, тот присоединяет остаток фосфорной кислоты, давая нуклеотид, а уж те скрепляются между собой в длинную цепь. Гипотеза была в духе времени, ведь именно тогда родилось понятие о полимере. Косвенное экспериментальное подтверждение она получила в 1937 году, когда англичанин Уильям Астбери (1898–1961) получил первые рентгенографические изображения кристалла ДНК, из них следовало, что ДНК имеет регулярную структуру. Химики, в основном усилиями Александра Тодда (1907–1997), разобрались со строением и методами получения нуклеотидов и даже научились получать их короткие цепи – олигонуклеотиды – с заданной последовательностью[35]. В 1950–1951 годах американский биохимик Эрвин Чаргафф выполнил более скрупулезный анализ ДНК и установил, что в пределах экспериментальной погрешности содержание аденина совпадает с содержанием тимина, то же относится к паре гуанин-цитозин. Впрочем, погрешность была довольно высокой, да и сам метод анализа у многих исследователей вызывал сомнения. Вот, в сущности, и все, что знали ученые о ДНК к началу нашей истории.

С другой стороны, о роли ДНК в организме было известно еще меньше. Долгое время ученые отводили ей роль арматуры хромосом, хранилища фосфора, регулятора кислотности в ядре клетки, были и другие гипотезы. Идею о том, что ДНК служит носителем наследственной информации, никто из ученых всерьез не рассматривал. Сейчас можно найти ссылки на то, что выдающийся русский биолог Николай Константинович Кольцов (1872–1940) еще в 1928 году писал о присутствии в хромосомах гигантских молекул, ответственных за наследственность, состоящих из двух зеркальных цепочек, каждая из которых при удвоении играет роль шаблона (темплата) для синтеза второй цепочки. Прозрение из разряда гениальных, но, во-первых, ниоткуда не следует, что Кольцов говорил о ДНК, а во-вторых, идея в те годы прошла незамеченной.

Все внимание ученых было приковано к белкам, связанным с ДНК и образующим с ней хромосому.

Белки обладали заведомо более сложным строением (двадцать строительных блоков против четырех в ДНК) и множеством экспериментально подтвержденных биологических функций. ДНК в сравнении с ними смотрелась как унылый бесконечный забор, сложенный из четырех повторяющихся бетонных плит, рядом с затейливыми нарядными особняками. Впрочем, о строении белков тоже было известно очень мало. К моменту начала нашей истории было установлено лишь наличие первичной структуры белка (см. главу 5).

Считается, что первыми убедительно доказали определяющую роль ДНК в передаче наследственной информации американцы Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти в ходе изящного эксперимента, выполненного на бактериях в 1943 году. Их сообщение не потрясло основы генетики. Во-первых, время было неподходящее для научной революции – война, во-вторых, многие ученые просто пропустили эту публикацию, а ознакомившиеся высказали свои сомнения. Кроме того, для большинства биологов все эти исследования если и представляли интерес, то только досужий. Они привыкли оперировать с хромосомами, клетками, организмами, а уж что там служит действующим началом – дело второе. Они вполне комфортно чувствовали себя в рамках существовавшей методологии. Еще меньший интерес они проявляли к структуре ДНК. Все это была какая-то мудреная, незнакомая им химия, и они совершенно не представляли себе, как знание вышеозначенной структуры может помочь им в их работе.

Теперь о главных действующих лицах нашей истории. Перечисляю в порядке возраста.

Фрэнсис Крик, 35 лет, англичанин, физик по образованию, громогласный, многословный, заносчивый, человек увлекающийся и фонтанирующий идеями. Во время войны занимался разработкой магнитных мин. После прочтения книги Эрвина Шрёдингера “Что такое жизнь?” увлекся биологией, работал какое-то время в лондонском Королевском колледже у Джона Рэндалла, откуда его вышиб ли за несносный характер. С 1949 года работал в Кембридже в Кавендишской лаборатории в группе Макса Перуца, занимался рентгенографическим изучением белков, наскребывая материал для кандидатской диссертации. Неудачник по формальным показателям, непризнанный (пока) гений по сути.

Морис Уилкинс, 35 лет, уроженец новой Зеландии, в шесть лет переехавший с родителями в Англию, физик по образованию, хрестоматийный ученый – в очках, мягкий, податливый, скромный, погружен в науку. Во время войны работал над созданием экранов для радаров, затем участвовал в работах по Манхэттенскому проекту в Калифорнии. После войны перешел в биологию, чистую во всех смыслах науку. Все это время работал в Королевском колледже, где познакомился и подружился с Криком. Был одним из пионеров рентгенографического исследования кристаллов ДНК, которую считал одной из важнейших биологических молекул. Работал методично, основательно, без спешки, не думая о приоритете и громких открытиях. Характер Уилкинса лучше всего отражает название его воспоминаний – “Третий мужчина в истории двойной спирали”.

Розалинд Франклин, 31 год, из еврейской банкирской семьи, химик по образованию, резкая в суждениях, нетерпимая в спорах, зацикленная на идее женского равноправия. После защиты кандидатской диссертации в 1945 году в Кембридже переехала в Париж, где занималась рентгеноструктурным анализом углей и графита и достигла в этом высокого профессионализма. В 1950 году Джон Рэндалл пригласил ее на работу в Королевский колледж. Предполагалось, что Франклин будет заниматься исследованиями ДНК вместе с Уилкинсом, фактически в роли его ассистентки. Франклин настояла на том, что будет работать самостоятельно и потребовала, чтобы ей были переданы все новое оборудование и лучшие образцы кристаллической ДНК, имевшиеся в распоряжении лаборатории, к ней же в качестве аспиранта перешел и единственный сотрудник Уилкинса Раймонд Гослинг. Уилкинс ничего не смог противопоставить такому напору, он постенал и смирился, продолжив работать на том оборудовании, что у него было раньше, и с теми образцами, которые ему оставили. Стиль работы, впрочем, у них был одинаковый – последовательный и скрупулезный, “как доктор прописал”. К ДНК Франклин относилась как к объекту рентгеноструктурного анализа, довольно интересному с этой точки зрения.

Джеймс Уотсон, 23 года, американец, длинный, тощий, лохматый, по юношескому экстремизму считающий большую часть окружающих, включая коллег-ученых, недоумками разной степени тяжести, признанный гений с детства. В 15 лет поступил в Чикагский университет, в 22 года защитил кандидатскую диссертацию по зоологии. Был первым и, как часто бывает, любимым аспирантом Сальвадора Лурия (1912–1991), перебравшегося в США из Италии и ставшего в 1969 году нобелевским лауреатом по физиологии и медицине “за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов”. Уотсон подключился к этим исследованиям в самом их начале, собственно, именно этим он и занимался в своей аспирантской работе. Тогда он впервые услышал об эксперименте Эвери – Маклеода – Маккарти и безоговорочно уверовал в то, что ДНК служит носителем наследственной информации. Но ни он, ни его руководители ничего не понимали в нуклеиновых кислотах, так что Уотсона в 1950 году отправили на стажировку в Данию к известному биохимику Герману Калькару, который работал в этой области. Они не нашли взаимопонимания, Уотсон хотел заниматься структурой ДНК, у Калькара на его счет были свои планы, так что год стажировки прошел почти что впустую. Весной 1951 года Уотсон отправился на конференцию в Неаполь, где услышал доклад Уилкинса. Из него он впервые узнал, что для установления структуры ДНК может быть использован метод дифракции рентгеновских лучей. О самом методе он тоже знал понаслышке. Для освоения метода он стал добиваться перевода в Кембридж. Осенью 1951 года он прибыл в Кавендишскую лабораторию, в группу Макса Перуца, где встретил родственную душу – Фрэнсиса Крика. Они быстро сошлись.

Собственно, в этот момент и начинается наша история. В Кавендишской лаборатории царила нервная обстановка из-за недавнего сообщения Полинга о расшифровке вторичной структуры белков. Пусть это была всего лишь гипотеза, но приоритет в открытии альфа-спирали теперь принадлежал Полингу – американцу! Это понимал и Уильям Брэгг[36], директор лаборатории, справедливо считавший себя одним из отцов рентгеноструктурного анализа, и Макс Перуц, на протяжении нескольких лет совершенствовавший технику съемки дифрактограмм и методы их расчета и вплотную подошедший к расшифровке структуры белков. Они жаждали реванша, это стало их навязчивой идеей. Одержим ею был и Крик. И тут ему представился случай впервые проявить себя во всей красе. Буквально за два дня он вместе с двумя другими сотрудниками лаборатории, Стоуксом и Кокрэном, разработал математическую модель того, как спиральная структура должна отражаться в рентгеновских дифрактограммах. Написанную тут же статью немедленно послали в журнал “Nature”, а копию Полингу – знай наших!

Но это было лишь малой компенсацией. Никто почему-то не сомневался, что следующим объектом, за который примется Полинг, будет ДНК, а уж если он возьмется, то непременно сделает. Мы должны опередить его, это будет наш триумф! Крик с Уотсоном, отбросив все дела, стали размышлять, как подступиться к проблеме. Уотсон безоговорочно уверовал в спираль, как раньше уверовал в ДНК. Как биолог он знал, что спираль – самая простая из природных форм, поиск вначале надо было вести в этом направлении. Крик посоветовался с Уилкинсом, и тот показал полученные им дифрактограммы. Они сошлись в том, что в них явственно проступают черты спирали. Уилкинс предположил, что эта спираль состоит из трех полинуклеотидных цепей. Уотсон почитал отчет Франклин о работе, проделанной в Королевском колледже. Отчет был довольно туманным, Франклин явно не спешила выносить на суд слушателей свои выводы, кроме главного: “Бесспорные факты могут быть получены только после того, как будет накоплено достаточно данных, чтобы провести более тонкий кристаллографический анализ”.

На Уилкинса и Франклин было мало надежды, они могли получать свои улучшенные дифрактограммы и полгода, и год. Крик с Уотсоном решают идти путем Полинга: не дожидаясь экспериментальных результатов, попытаться собрать молекулярную модель ДНК из шариков, изображающих атомы, и стерженьков. Проблема заключалась в том, что с химией они оба были не в ладах. Пришлось опять обращаться за помощью к Полингу, из его срочно купленной книги “Природа химической связи” они почерпнули необходимые им сведения, включая данные о размере атомов и длине химических связей. Они остановились на варианте с тремя цепями, располагающимися внутри молекулы ДНК, и торчащими наружу азотистыми основаниями. Но как цепи скрепляются между собой? Наиболее вероятным им показалось предположение, что в этом участвуют ионы металла типа магния. Никакими экспериментальными данными по присутствию ионов магния в ДНК они не располагали, но ведь не было и данных, указывающих на их отсутствие. Они крутили свою модель и так и эдак, пока она вдруг не закрутилась сама в изящную спираль с шагом, почти в точности соответствующим параметрам кристаллической решетки, полученным Уилкинсом и Франклин. Задача была решена!

Уилкинса и Франклин пригласили посетить Кембридж для ознакомления с великим открытием. Франклин подвергла модель уничтожающей критике. По ее данным цепи должны располагаться на периферии молекулы, а не внутри. И при чем здесь спираль? Нет там никакой спирали! Она не собирается делиться с ними полученными ею данными. Она возмущена тем, что ей пришлось ехать за тридевять земель (70 км), чтобы посмотреть на эти детские игры в конструктор. Так открытия не делаются, открытия делаются правильно !

Ее мнение быстро донеслось (донесли) до Брэгга. И тот… запретил Крику и Уотсону заниматься впредь ДНК и настоятельно рекомендовал им вернуться к выполнению их прямых обязанностей. Исследования ДНК были объявлены вотчиной Королевского колледжа, Кавендишская лаборатория самоустранилась от участия в гонке. Столь ценимые в Англии правила “честной игры” превыше всего! Перед ними поблекли познание истины и конкуренция с Полингом. Крик с Уотсоном подчинились приказу начальства, у них не было выбора. Приближались рождественские каникулы. Первый акт продолжался чуть более трех месяцев. Наступил длительный антракт.

Крик занимался экспериментами по своей диссертации. Уотсон приступил к работе с вирусом табачной мозаики. Он решил наконец на практике освоить метод рентгенографического анализа. Через месяц он научился получать вполне сносные дифрактограммы. Уотсон был настолько поглощен идеей спирали, что быстро разглядел ее и в вирусе и представил, как она может образовываться. В такой ситуации частенько случается, что исследователь выдает желаемое за действительное, но Уотсон попал точно в цель. Это само по себе было важным научным результатом, но его-то интересовала структура ДНК!

Думать о ДНК ему с Криком никто запретить не мог. Если верить Франклин, то сахарные цепи располагались по краю молекулы, следовательно, спираль скреплялась за счет какого-то взаимодействия между азотистыми основаниями. Крик ненадолго увлекся идеей, что плоские основания уложены в подобие пачек, на это вроде бы указывали некоторые кристаллографические данные. Он даже попросил одного своего приятеля помочь ему с квантово-химическими расчетами такого взаимодействия. Уотсон же погрузился в изучение основ химии по книге Полинга, надеясь найти в ней ответы на мучившие его вопросы.

В мае в Лондоне прошла конференция по структуре белков. Все с замиранием сердца ждали приезда Полинга, но у него именно тогда американские власти отобрали паспорт. Впрочем, через месяц Полинг объявился на биохимическом конгрессе в Париже, где ни словом не обмолвился о ДНК. В Англии облегченно выдохнули. Тогда же в Кембридж приехал Чаргафф. Джон Кендрю, ближайший сотрудник Перуца, благоволивший Крику и Уотсону, устроил их встречу в неформальной обстановке. Уотсон знал о “правиле Чаргаффа”, но не придавал ему большого значения. Он как-то рассказал о нем Крику, но тот пропустил эту информацию мимо ушей. Чаргаффу не потребовалось много времени, чтобы понять это, и ему, естественно, это очень не понравилось. Как и то, что Крик, многословно объясняя Чаргаффу результаты квантово-химических расчетов, не смог без подсказки нарисовать формулы азотистых оснований. Эти парни, Крик и Уотсон, вообще ему не понравились. Несколько месяцев спустя Чаргафф в письме Кендрю поинтересовался, чем сейчас занимаются “его клоуны от науки”. По иронии судьбы, именно в тот момент Крик с Уотсоном наводили последний глянец на свою историческую модель.

Пока же они занимались другими делами. Уотсон вспоминал: “В конце октября Фрэнсис попробовал подбить меня на вторую попытку раскрыть структуру ДНК. Но мне показалось это бессмысленным. Никаких новых фактов, которые могли бы сгладить неприятные воспоминания о нашем позорном поражении прошлой зимой, не появилось”. Тогда же в Кембридж на стажировку приехал сын Полинга – Питер. Работать ему выпало в одной комнате с Криком и Уотсоном. В ходе дружеской беседы он разболтал, что отец поглощен идеей скручивания между собой самих альфа-спиралей в молекулах белка кератина, содержащегося в волосах. Это была хорошая новость для Уотсона и плохая для Крика, ведь близкой проблемой тот занимался в своей диссертации. Припертый к стене Крик набросился на работу с удвоенной энергией и вскоре создал вполне корректную математическую модель скручивания спиралей. Статья была незамедлительно отослана в “Nature” с надеждой, что она выйдет одновременно со статьей Полинга, а то и раньше.

История тихо катилась к печальному концу. Крик размышлял над предложением поработать год в США. Стажировка Уотсона была не вечной. Франклин объявила, что в марте она переходит на работу в Беркбек-колледж, где будет заниматься исследованиями вируса табачной мозаики, объекта с точки зрения рентгенографии более интересного, чем ДНК. Главным же было то, что руководитель тамошней лаборатории Джон Бернал был известным борцом за женское и всяческое другое равноправие. Он гарантировал Франклин полную самостоятельность в рамках сельскохозяйственного гранта и должность, в наших терминах, старшего научного сотрудника. Один Уилкинс пребывал в радужном настроении, предвкушая годы спокойной работы по установлению структуры ДНК.

Гром грянул опять же в канун Рождества. Питер Полинг обмолвился в разговоре, что отец прислал письмо, в котором среди прочих семейных новостей сообщил, что установил структуру ДНК. Об этом были немедленно извещены все, включая Брэгга и Перуца. Кендрю пытался утешить расстроенных Крика с Уотсоном, говоря, что Полинг мог и ошибиться. Полинг – не мог, отвечали те.

В первых числах февраля 1953 года Полинг прислал в Кембридж два экземпляра своей статьи, один – Брэггу, второй – сыну, который недолго думая показал ее Крику и Уотсону. Те не смогли скрыть радость, когда увидели тройную спираль ДНК, в которой обращенные внутрь цепи были скреплены водородными связями. Это они уже проходили, это была ошибка! Еще они поразились тому, что фосфатные группы в структуре Полинга были связаны с атомом водорода. “Как же так, ведь ДНК – это кислота, это экспериментальный факт, в кислоте нет никаких атомов водорода!” Это восклицание говорило скорее об их собственной химической малограмотности и неспособности понять оригинальный ход мысли Полинга. Как бы то ни было, они разнесли по лаборатории весть, что Полинг допустил элементарную химическую ошибку, за которую в колледжах ставят двойки на экзаменах по химии.

Все понимали, что это лишь временная передышка. Полинг, несомненно, обнаружит ошибку и тогда уж сделает все, как полагается. Но при этом без всяких на то оснований возродились надежды на реванш. Брэгг отменил свое вето на занятия ДНК и спустил Крика с Уотсоном с поводка. Делайте, что хотите, но сделайте это! С одной стороны, это свидетельствовало о некой мистической уверенности в том, что если кто и способен в кратчайшие сроки решить эту великую задачу, то только эти два самоуверенных шалопая. С другой стороны, в Кавендишской лаборатории просто не было других специалистов, достаточно знакомых с проблемой ДНК.

Перед лицом “американской угрозы” были преданы забвению все правила честной игры. Опуская малоприглядные детали, скажу лишь, что Крику с Уотсоном обеспечили доступ к результатам, полученным Франклин, без ее, естественно, ведома. Парадокс ситуации заключался в том, что Франклин, яростно отрицавшая саму идею спирали, приложила столь много усилий, чтобы развенчать ее, что в результате получила самые убедительные свидетельства ее правильности. Такое, впрочем, часто случается в науке. Уотсону хватило одного быстрого взгляда на показанную ему Уилкинсом дифрактограмму, чтобы “увидеть” спираль. Эта “фотография 51”, вошедшая в историю науки, лежала в столе Франклин с июля прошлого года.

Крик с Уотсоном вернулись к молекулярным моделям, заказав в мастерских комплект металлических пластинок, с геометрической точностью отображавших строение азотистых оснований. Уотсон настоял на построении двойной спирали. Его аргумент был неотразим даже для физика Крика: все важные биологические объекты бывают парными! Но начали они по-прежнему с осмеянной модели, где остов молекулы находился в центре. Никто не мог понять, почему Франклин настаивала на периферийном расположении цепей, из ее данных это явным образом не следовало. Но ничего хорошего у них не получилось. Тогда Уотсон решил попробовать раздвинуть цепи и обратить основания внутрь – с него не убудет. Но тут возникла опять же старая проблема – как основания из разных цепей связываются друг с другом и скрепляют таким образом молекулу. Ответ подсказал все тот же Полинг – водородные связи! Уотсон бросился в библиотеку читать статьи на предмет образования водородных связей между молекулами азотистых оснований.

Все равно не сходилось. Как ни крутили Уотсон с Криком пластинки, изображавшие азотистые основания, модель получалась какая-то кособокая, скучная, некрасивая, в общем, неправильная. Помощь пришла со стороны сотрудника, который вот уже полгода сидел за своим столом в их комнате, а до этого несколько лет проработал в Калифорнийском технологическом институте, рядом с Полингом. Он увидел структурные формулы оснований, которые Уотсон выписал из книги Дэвидсона “Биохимия нуклеиновых кислот”, и небрежно бросил: эти формулы, которые рисуют в учебниках, какие-то липовые, нутром чую, что на самом деле эти соединения существуют в другой таутомерной форме. Что такое таутомерные формы, для нас с вами не суть важно, главное, что они обладают разной геометрией.

С новыми формами дело пошло. Аденин вдруг идеально сложился с тимином, а гуанин с цитозином, и размеры у двух этих пар совпали. Из этого напрямую вытекало правило Чаргаффа, к которому оба конструктора продолжали испытывать недоверие. И еще: что любая данная последовательность оснований одной цепи автоматически определяла последовательность другой, это была своеобразная зеркальная или, как сейчас говорят, комплементарная симметрия, было легко представить, как одна цепь становится матрицей для синтеза другой. Ждать, пока механики изваяют новые металлические пластинки, не было сил, Уотсон принялся вырезать точные изображения оснований из толстого картона. Крик во время ланча помчался в паб “Орел”, любимое вместо встречи ученых из окрестных колледжей, и принялся рассказывать всем встречным и поперечным, что они с Уотсоном раскрыли секрет жизни. На календаре было 28 февраля, второй акт нашей истории продолжался менее четырех недель.

Через неделю Крик с Уотсоном закончили пайку окончательной модели двойной спирали ДНК. Приехал Уилкинс, бегло осмотрел конструкцию и тут же отправился обратно в Лондон – надо было проверить, насколько предсказываемые ею параметры соответствуют экспериментальным данным. Через несколько дней и Уилкинс, и Франклин подтвердили: все в точности совпадает. Валом валили сотрудники лаборатории, прослышавшие об открытии. Едва оправившись от гриппа, прибыл Брэгг. Он был удовлетворен. “А что думает по этому поводу Тодд?” – озаботился Брэгг. К Тодду, главному специалисту в мире по химии нуклеиновых кислот, работавшему буквально за стенкой, Крик с Уотсоном почему-то не обращались за консультациями. Позвали Тодда. “Отличная химическая работа”, – резюмировал он.

Показательно, что ни у кого не возникло ни малейших сомнений в правильности модели. Она была красива и совершенна, это не было творением рук или ума человеческого, такое могла сделать только Природа. Это была Истина, самоочевидная и самодостаточная, не требующая никаких других доказательств. Вот и Полинг был сразу покорен ею. Как выяснилось, он был в курсе проводимых в Англии исследований. В начале апреля Полинг намеревался посетить Королевский колледж по дороге в Брюссель на Сольвеевскую конференцию по белкам. Его интересовали некоторые детали рентгенографических исследований. Со структурой ДНК ему уже все было ясно.

Неясности были с публикацией. В эйфории от победы все стали добрыми и вспомнили о честной игре, не забывая при этом о приоритете. В конце концов, сошлись на том, что результаты будут опубликованы одновременно в трех статьях, написанных отдельно Уотсоном с Криком, Уилкинсом и Франклин. Уотсон с Криком уложились в 900 слов, в одну страницу журнального текста. “Скромненькое” название – “Строение дезоксирибозной нуклеиновой кислоты”. Первая ссылка была на Полинга.

Брэгг продавил публикацию в ближайшем номере журнала “Nature”, статьи вышли из печати 25 апреля 1953 года. В номере от 30 мая Уотсон с Криком опубликовали еще одну статью, на две с небольшим страницы, где они обсудили возможный механизм репликации (удвоения) ДНК в свете предложенной ими структуры. Статья носила чисто гипотетический характер, потому что никаких экспериментальных фактов тогда не было и в помине. Как показала дальнейшая история, в целом они не ошиблись.

Будет большим преувеличением сказать, что сообщение о расшифровке структуры ДНК произвело эффект разорвавшейся бомбы даже в рядах научного сообщества, не говоря уже о широкой общественности. Впервые об этом сообщил 8 апреля лично Брэгг на упомянутой уже конференции в Брюсселе. Ни одна британская газета не откликнулась на это событие. После публикации в Nature были инспирированы статьи в ряде ведущих английских и американских газет, но и они не вызвали большого ажиотажа. Тут смерть Сталина, грядущая коронация Елизаветы II – не до ерунды!

А как отразилось сделанное открытие на судьбе наших главных героев?

Начнем с Розалинд Франклин. Она, как вы помните, в марте 1953 года уже перешла на другую работу. Несколько недель спустя Франклин попросила Крика показать ей модель. Она Розалинд не впечатлила. Франклин сохранила как старую, непонятную неприязнь к молекулярным моделям, так и твердую убежденность в том, что так работать неправильно, так открытия не делаются. В изучении вируса табачной мозаики она вновь продемонстрировала свой высокий профессионализм, не только подтвердив предварительные результаты Уотсона, но и сильно продвинувшись вперед. К сожалению, в 1958 году Розалинд Франклин скончалась от рака.

Фрэнсис Крик в 1954 году защитил наконец кандидатскую диссертацию по дифракции рентгеновских лучей на белках, после чего уехал на год в Америку. В 1956 году они с Уотсоном опубликовали еще одну совместную статью, посвященную строению малых вирусов, после чего их научные пути разошлись. По возвращении из США Крик сконцентрировался на проблеме синтеза белков и сформулировал в 1958 году так называемую “центральную догму” молекулярной биологии, заключающую в том, что наследственная информация в живых организмах передается по цепочке ДНК – РНК – белок, но никак не наоборот. Он же утвердил в генетике всем хорошую известную концепцию триплетного генетического кода. Работы эти были чисто умозрительными, но впоследствии блестяще подтвердились. В 1962 году Крик вместе с Уотсоном и Уилкинсом получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие структуры ДНК. В 1976 году Крик перебрался в США, где занимался преимущественно проблемами мозга и сознания, увлекаясь периодически и другими идеями. Скончался в 2004 году.

В том же году ушел из жизни его ровесник Морис Уилкинс. Он единственный из всех остался верен ДНК и в течение нескольких лет методично накапливал экспериментальный материал, подтверждающий правильность созданной Уотсоном и Криком модели. Так что включение его “третьим” в список нобелевских лауреатов было абсолютно оправдано. Да и вся его дальнейшая научная карьера была образцово-показательной, хотя и без громких свершений.

Джеймс Уотсон, младший в этой тройке нобелевских лауреатов, здравствует и поныне. Он проводил исследования в самых различных областях молекулярной биологии и, в частности, приложил много усилий для выяснения генетической природы рака. Время от времени своими поступками и делами подтверждает свою репутацию enfant terrible современной генетики. В 1990 году по его инициативе был начат проект “Геном человека”, возможно, самый масштабный международный научный проект в истории человечества. В течение двух лет он руководил этими работами, покинул свой пост со скандалом, восстав против активно продавливаемой в то время идеи патентования генов.

В 2008 году Уотсон приезжал в Москву. На его публичную лекцию в Доме ученых пришло несколько тысяч человек, от маститых ученых до студентов и аспирантов, которые хотели увидеть и услышать живую легенду науки. Места в зале для всех не хватило, были установлены большие экраны в холле и громкоговорители в сквере. Молодые люди стояли на улице и слушали рассказ ученого о его жизни и об уроках, которые он из всего этого вынес.

Перейдем теперь к самой молекуле ДНК[37], о которой, я не сомневаюсь, вы и так знаете почти все, так что мне остается лишь акцентировать ваше внимание на некоторых моментах, которые существенны для целей этой книги. Главное – это то, что молекула ДНК представляет собой классический образец нанообъекта . Ее толщина составляет 2,2–2,4 нм, а длина доходит до сантиметров. Каждая молекула ядерной ДНК состоит из сотен миллионов нуклеотидных пар, что в сотни раз больше числа звеньев во всех других известных нам природных соединениях или синтезированных учеными полимерах. Две полинуклеотидные нити, составляющие двойную спираль, абсолютно идентичны по своему составу и строению, но выполняют принципиально разные функции. Одна из них служит собственно хранилищем генетической информации, каждый ее нуклеотид – это одна буква в длинном тексте, составляющем сборник инструкций по росту и функционированию всего нашего организма. Вторая цепочка выполняет вспомогательную функцию. Она идеально геометрически соответствует кодирующей цепочке, подходя к ней как ключ к замку, за это ее называют комплементарной, от латинского complementum – дополнение. Больше всего молекула ДНК похожа на перекрученную застежку-молнию. Такое ее устройство понадобилось Природе для лучшей сохранности генетической информации – молекула ДНК обладает феноменальной химической стабильностью, в подходящих условиях она не разрушается и сотни тысяч, и миллионы лет, благодаря чему мы сейчас можем воссоздавать генетический “портрет” организмов, живших в те незапамятные времена.

Аналогия с застежкой-молнией вообще очень плодотворна. Застежку можно легко расстегнуть – вот и цепи молекулы ДНК расходятся, например, при нагревании. Но при охлаждении они вновь сходятся и скрепляются, восстанавливая прежнюю структуру, это принципиально отличает ДНК от белков, которые при нагревании необратимо денатурируют. Стоит одному зубчику в застежке погнуться или выпасть – и вот уже молния не застегивается. Точно так же и молекулы ДНК “чувствуют” замену даже одного нуклеотида в длинной цепи и “отказываются” скрепляться. Застежка-молния остается таковой независимо от длины, все описанные свойства ДНК также не зависят от ее длины. Если мы бросим в водный раствор две цепочки, состоящие, например, всего лишь из десяти нуклеотидов, удовлетворяющих требованию комплементарности, то они рано или поздно встретятся и прочно соединятся между собой в молекулу ДНК, пусть и маленькую, состоящую всего из десяти пар нуклеотидов . И пусть при этом вокруг плавают хоть миллион других похожих цепочек, если в последовательности соединения их нуклеотидов есть хоть одно отклонение от требований комплементарности, но наши цепочки не обращают на них никакого внимания, они ищут своего единственного, зеркального близнеца. Поразительная избирательность!

Вернемся ненадолго к кодирующей цепочке. Ее, как мы помним, можно уподобить некоему тексту, записанному “буквами” входящих в ее состав нуклеотидов. В этом тексте можно вычленить предложения – точное описание того или иного белка живого организма. Последовательность из трех определенных нуклеотидов образует “слово”, обозначающее конкретную аминокислоту. В этом суть генетического кода. Часть молекулы ДНК, на которой записана инструкция по синтезу одного белка, называется ге?ном . Еще раз подчеркну, что часть молекулы ДНК сама по себе также является молекулой ДНК, это подобие части целому – один из основополагающих принципов организации как живой, так и неживой материи.

Сейчас нам легко говорить об этом, но в 50-х годах прошлого века, когда Уотсон и Крик впервые явили ученым и миру свою модель ДНК, ничего этого не было известно даже на уровне предположений. Ученые вообще впервые столкнулись с таким нанообъектом . Как к нему подступиться? Как его изучать? Как определить строение хотя бы одной молекулы ДНК, то есть выяснить в ней точную последовательность нуклеотидов, если число возможных комбинаций при длине молекулы в сотни миллионов пар превосходит число атомов во Вселенной?

Что делают ученые, попав в такую пиковую ситуацию? В первую очередь они начинают думать, даже, вернее, фантазировать, потому что в их распоряжении есть один-единственный факт, да и тот гипотетический, – модель молекулы ДНК. Давайте немного поиграем в ученых.

Из своего жизненного опыта мы знаем, что сколько ни смотри на неизвестную машину, в ее внутреннем устройстве не разберешься, пока не прочитаешь подробное описание или не разберешь машину на части. Химики так и поступают, у них есть в арсенале разные реагенты, которые разрезают сложные молекулы в строго определенных местах, например, они могут разорвать связь фосфатного остатка с дезоксирибозой, то есть разрезать цепочку ДНК, не затронув при этом связь дезоксирибозы с азотистым основанием. Но для нашей задачи эти реагенты слишком грубые, они будут перерезать молекулу ДНК случайным образом, это все равно, что колотить по машине тяжелой кувалдой, а потом пытаться разобраться в куче разнокалиберных осколков – бесполезное занятие! Нам нужно какое-то более сложное, чем кувалда, устройство, которое будет разрезать молекулу ДНК в строго определенных местах, назовем их условно швами. Это должно быть какое-то специальное устройство, способное обращаться с объектами молекулярных размеров. Понятно, что размер устройства не может быть намного больше молекулы ДНК. Опять же жизненный опыт: даже молоток и гвоздь должны иметь сопоставимые размеры, иначе ничего хорошего не выйдет. Чтобы разрезать в нужном месте молекулу ДНК диаметром 2,4 нм, устройство должно иметь размер в десятки, максимум сотни нанометров.

Итак, нам нужно устройство, способное обрабатывать молекулы и само имеющее молекулярные размеры, – молекулярная машина . Из чего она должна состоять? Из тестера для обнаружения “шва” и из собственно резака, затем необходима какая-то оснастка для самостоятельного передвижения машины, ведь вероятность того, что она обнаружит “шов” в ходе случайных блужданий, невелика. И наконец, нужен процессор, ведь напрямую управлять работой такой машины нам вряд ли удастся и она поневоле должна будет работать в автономном режиме. Все это складывается в образ некоего робота или с учетом его размера – наноробота .

Мы с вами путем незамысловатых рассуждений пришли к идее, приобретшей чрезвычайную популярность в наше время. С ней мы еще столкнемся в заключительной главе книги. Здесь же скажу, что люди, наделенные инженерным или механистическим складом мышления, снабжают в своих фантазиях такие роботы наношестеренками, наноредукторами и наноколесами, манипуляторами с зажатыми в них нанофонариками и наноскальпелями, антенной, передатчиком и бортовым компьютером.

Но ученые 50–60-х годов прошлого века пошли другим путем. С ДНК ведь работали преимущественно химики и биологи и они в силу своего склада мышления заключили, что нужная им молекулярная машина должна быть похожа на белок. И еще они предположили, что Природа непременно должна была создать что-то подобное в ходе эволюции, а иначе как она сама управляется с ДНК? Это задало направление поисков. Работа всегда спорится лучше, когда знаешь, что ты ищешь.

Поиски заняли длительное время, это была действительно трудная задача. Лишь в конце 1960-х годов американский микробиолог Гамильтон Смит и швейцарский микробиолог и генетик Вернер Арбер открыли фермент рестриктазу, которая играет в живых организмах роль ножниц для ДНК[38]. Важность открытия оценили быстро, уже в 1978 году ученым была присуждена Нобелевская премия по медицине и физиологии.

Собственно, это был не один фермент, а обширный класс ферментов, который в настоящее время насчитывает более трех тысяч различных рестриктаз. Столь большое, даже с учетом богатства мира живой природы, число рестриктаз объясняется их четкой специализацией – каждая вступает в дело только при наличии в молекуле ДНК определенных последовательностей нуклеотидов, называемых сайтами рестрикции.

Опишу лишь один, наиболее интересный для наших целей пример механизма действия рестриктаз. Итак, фермент находит в длинной молекуле ДНК определенную последовательность, состоящую из шести нуклеотидов, и разрезает молекулу ДНК внутри этого участка хитрым фигурным образом – одну цепочку в одном месте, другую в другом. В результате при разъединении двух кусков на их концах остаются короткие одноцепочечные хвостики, состоящие обычно из четырех нуклеотидов. Их называют “липкими” концами. Почему липкими? Представим себе, что мы подвели друг к другу разрезанные описанным образом фрагменты ДНК, они в этом случае непременно соединятся, слипнутся, ведь их хвостики комплементарны.

За счет этого фрагменты молекулы ДНК будут удерживаться вместе (как все та же застежка-молния с разрезанной основой), но это не будет прежняя молекула ДНК. Для полного восстановления структуры необходимо спаять разрезанные цепи. Для этого у Природы есть специальные молекулярные машины – ферменты лигазы. Их открыли в 1967 году.

Наука развивается очень затейливыми путями. Казалось бы, процесс разрезания и сшивки молекул ДНК намного проще ее копирования. Более того, это не просто кажется, так оно и есть. В своей статье, опубликованной в 1953 году, Уотсон и Крик сформулировали идею репликации ДНК в самом общем виде, не располагая ни одним экспериментальным фактом для ее доказательства. Тем не менее первой открыли молекулярную машину именно для сборки ДНК. Случилось это уже в 1956 году, когда американский биохимик Артур Корнберг (1918–2007) выделил фермент, названный впоследствии ДНК-полимеразой. За это он немедленно, в 1959 году, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, к слову сказать, раньше Уотсона с Криком.

Но это был лишь первый шаг на долгом пути, на расшифровку основных деталей механизма репликации ДНК ушло два десятилетия. Отмечу лишь некоторые моменты, которые нам понадобятся в дальнейшем. Специальная молекулярная машина, фермент хеликаза, движется вдоль молекулы ДНК, разрывая водородные связи между комплементарными нуклеотидами и разрезая двойную спираль на отдельные цепочки с образованием так называемой репликационной вилки. Основную созидательную функцию выполняет фермент ДНК-полимераза, который, двигаясь по цепочке, собирает из нуклеотидных блоков комплементарную ей цепь. Таким образом из одной молекулы ДНК получают две идентичные молекулы, каждая из которых содержит цепь исходной молекулы и вновь синтезированную цепь. Поражает точность копирования: частота ошибок при репликации ДНК не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов. Это обусловлено, в частности, тем, что молекулярная машина под названием ДНК-полимераза включает в свой состав специальный “отдел технического контроля”, который способен распознать ошибку и тут же исправить ее.

В работе ДНК-полимеразы есть один важный нюанс – она не может начать сборку, как говорится, на ровном месте. Для этого ей необходима затравка, называемая праймером, олигонуклеотид, состоящий приблизительно из 20 нуклеотидов и комплементарный определенному участку копируемой цепи ДНК. Праймер прочно связывается с цепью ДНК, как деталь конструктора “Лего”, а затем ДНК-полимераза начинает пристраивать к нему олигонуклеотидную последовательность.

Скорость копирования ДНК в клетках нашего организма составляет около 50 нуклеотидов в секунду. Нетрудно подсчитать, что для копирования одной цепи молекулы ДНК длиной, например, в 50 миллионов нуклеотидов ДНК-полимеразе потребуется около 12 суток, а на копирование всего нашего генома, состоящего из 3 миллиардов пар нуклеотидов – около 4 лет. Понятно, что это слишком долго, поэтому над копированием одной молекулы ДНК трудятся одновременно сотни и тысячи молекулярных машин, каждая на своем участке длиной от 30 до 300 тысяч нуклеотидов, они же обеспечивают состыковку синтезированных кусков цепи. Другие молекулярные машины собирают в это время копию второй цепочки молекулы ДНК и так одновременно во всех наших 46 хромосомах. Так продолжительность копирования генома снижается до минут.

ДНК выполняет также функцию базы данных о структуре всех белков нашего организма. Если клетка испытывает потребность в том или ином белке, она обращается за инструкцией по синтезу к ДНК и та выдает необходимую информацию в виде молекулы РНК. Этот процесс называется транскрипцией ДНК, его осуществляет специальная молекулярная машина – РНК-полимераза. Ее функции намного более разнообразны, чем у ДНК-полимеразы. Она прикрепляется к молекуле ДНК в определенном месте, указанном специальной сигнальной молекулой, расплетает спираль ДНК и начинает копировать ее кодирующую цепь, собирая на ней как на матрице цепочку РНК из отдельных нуклеотидов, переводя при этом код ДНК в код РНК. Для этого РНК-полимеразе не нужны никакие праймеры, а место, где необходимо остановиться, задается определенной последовательностью нуклеотидов в цепи ДНК. Так что молекулярная машина движется от исходной точки к конечной, расплетая спираль ДНК перед собой, восстанавливая ее за собой и одновременно выдавая все удлиняющуюся нить РНК. Длина расплетенного участка ДНК, где происходят все основные события, составляет примерно 18 нуклеотидных фрагментов. Скорость работы РНК-полимеразы несколько ниже, чем ДНК-полимеразы, и не превышает 20–30 нуклеотидов в секунду.

Впрочем, исследования в этой области проходили куда медленнее. Крик, как мы помним, сформулировал свою “центральную догму” молекулярной биологии в 1958 году. В 1961 году французские микробиологи Франсуа Жакоб и Жак Моно[39] высказали предположение о существовании специального фермента, ответственного за осуществление транскрипции, РНК-полимеразу выделили в 1965 году, тонкий молекулярный механизм ее действия выявили в 70–80-е годы, Нобелевскую премию по химии получил за это в 2006 году Роджер Корнберг (род. 1947 г.), сын Артура Корнберга. Поразительный пример преемственности в науке. Не менее удивительно и то, что два похожих природных объекта – ДНК– и РНК-полимеразы разнесены в листе Нобелевских премий на полвека. Но так развивается наука – неравномерно и отнюдь не последовательно.

Самая же совершенная из отрытых учеными природных молекулярных машин, на мой взгляд, это рибосома – завод по производству белка. В каждой клетке живого организма их насчитывается несколько десятков тысяч. Рибосомы универсальны в том смысле, что каждая из них может синтезировать любой белок, необходимый живому организму. Информация о том, какой белок следует синтезировать, поступает из “мозгового” центра клетки – ее ядра в виде линейной молекулы информационной РНК, продукта копирования кодирующей цепочки ДНК с помощью РНК-полимеразы. Рибосома захватывает один конец молекулы информационной РНК и шаг за шагом протягивает ее через себя. На каждом шаге рибосома считывает информацию с фрагмента участка РНК, как с компакт-диска, и в соответствии с этой информацией пристраивает к растущей цепи белка очередную аминокислоту, которая поступает из окружающей среды – цитоплазмы клетки. Скорость сборки или, как ее называют, трансляции составляет десятки аминокислотных фрагментов в секунду.

По окончании синтеза полипептидная цепь высвобождается из рибосомы и специальные белки сворачивают ее требуемым образом и осуществляют над ней другие операции, превращающие ее, собственно, в белок или фермент. Общее количество молекул белков и РНК, принимающих участие в синтезе одной молекулы белка составляет около трехсот. Можно только восхититься отлаженностью и согласованностью всего этого природного технологического процесса.

Каков же размер рибосомы? В это трудно поверить, но он составляет всего двадцать нанометров. При этом помимо считывания информации и конструирования сложного объекта из элементарных строительных блоков рибосома осуществляет притягивание молекулы РНК, то есть механическую работу. Молекулярные машины обходятся при этом без привычных нам колес и шестеренок, учиться нам еще у Природы и учиться.

Дело это не быстрое. Вот и рибосомы были открыты в середине 1950-х годов американским биологом румынского происхождения Георгом Паладе (1912–2008), механизм их функционирования более и менее прояснился через пятнадцать лет, за что Паладе вместе с бельгийцами Альбером Клодом (1899–1983) и Кристианом де Дювом (1917–1978) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Но к расшифровке структуры рибосомы на атомарном уровне ученые подобрались только в нашем веке, когда появилась соответствующая экспериментальная техника высокого разрешения. При этом был выявлен ряд новых важных деталей устройства и функционирования рибосом, за что в 2009 году британец Венкатраман Рамакришнан, американец Томас Стейц и израильтянка Ада Йонат получили еще одну Нобелевскую премию, на сей раз по химии.

Все это, конечно, очень интересно и расширяет знания ученых о природе, скажете вы. Но при чем тут нанотехнологии? Действительно, для многих ученых познание природы – самоцель, но в этом нет ничего плохого, потому что без фундаментальной науки прогресс человечества просто невозможен. При этом всегда были и есть ученые, наделенные практическим складом ума, которые во всяком открытом ими или коллегами новом явлении видят в первую очередь источник технических усовершенствований и изобретений. Они не ждут, пока будут выявлены всякие тонкие детали того или иного явления, подчас они даже не ждут безоговорочных подтверждений того, что оно на самом деле существует, они сразу же начинают размышлять над тем, как бы его приспособить к делу. Эти прикладные исследования зачастую опережают фундаментальные, создаются технологии, производятся новые материалы и устройства, а ученые все еще продолжают ломать голову над тем, почему эти устройства работают так, как они работают.

Вот и молекулярные машины для “обработки” ДНК ученые быстро стали использовать сначала для собственных, а потом и общечеловеческих нужд. Рестриктазы, разрезающие молекулу ДНК в строго определенных местах, весьма помогли известному уже нам Фредерику Сенгеру определить последовательность соединения нуклеотидов в цепи. Затем ученые научились вырезать из молекулы ДНК участок, соответствующий определенному гену. И почти сразу возникла мысль о том, а нельзя ли соединить между собой гены, принадлежащие разным живым организмам, и получить таким образом ДНК, не существующую в природе?

Как это можно сделать? Вспомним о “липких” концах, образующихся при разрезании ДНК. Мы вырезаем с помощью рестриктазы какой-нибудь ген из одной молекулы ДНК и выделяем его. Затем, используя ту же самую рестриктазу, вырезаем еще один ген из другой ДНК. Рестриктаза одна и та же, соответственно и липкие концы у этих двух фрагментов одинаковые, нам остается лишь смешать их, и они слипнутся между собой. А затем мы добавим фермент лигазу, которая намертво спаяет нити новой ДНК. Такой вот генный конструктор. В реальности все выглядит намного сложнее, есть множество подводных камней, о некоторых вы, возможно, и сами уже догадались. Например, с какой стати будут слипаться разнородные фрагменты, если с не меньшим успехом могут слипнуться и однородные? Могут, конечно, но это уже техническая проблема разделения различных молекул ДНК, ее ученые умеют решать.

Впервые идею генной инженерии воплотил в жизнь в самом начале 1970-х годов американский биохимик Пол Берг (род. 1926 г.). Он соединил в одно целое фрагменты ДНК вируса (бактериофага) SV40 и бактерии Escherichia coli . Это принесло ему в 1980 году Нобелевскую премию по химии, которую он разделил с Фредериком Сенгером. Берг проторил путь к генетически модифицированным организмам. Что интересно, он сам свернул работы в этой области, прислушавшись к мнению многих своих коллег и широкой общественности, что эти “игры в бога” могут привести к непредсказуемым результатам. Сначала жесткое государственное регулирование в этой области, а уж потом научные исследования, полагал Берг. Осторожность и трезвая оценка рисков, конечно, необходимы, вот только нельзя отдавать это на откуп чиновникам, которые мало того что ничего не понимают в науке, так еще вынуждены угождать наиболее громкоголосой части электората, на подсознательном уровне страшащегося всего нового и неизвестного.

Впрочем, такой осторожный подход разделяли далеко не все ученые. Джинн был выпущен из бутылки, более того, идея лежала на поверхности, ее могли реализовать и другие исследователи. В историю вошел Герберт Бойер.

Он был на десять лет моложе Берга и принадлежал, в сущности, к другому поколению ученых. Открытие ДНК случилось, когда он заканчивал школу. Крик и Уотсон стали его кумирами, а исследование ДНК – целью жизни. Его научная карьера шла по восходящей: защита кандидатской диссертации в Питсбургском университете, трехлетняя стажировка в Йеле, ассистент-профессор в Университете Калифорнии в Сан-Франциско. Занимался он рестриктазами.

В 1972 году на конференции на Гавайях Бойер познакомился со своим ровесником Стенли Норманом Коэном[40], работавшим вместе с Бергом в Стэнфордском университете. Коэна интересовал вопрос о том, как у бактерий вырабатывается иммунитет к действию антибиотиков и как гены передаются от бактерии к бактерии с помощью плазмид – замкнутых в кольцо молекул ДНК. Коэн и Бойер работали в разных областях науки, но в ходе непринужденной беседы на вечеринке нашли точку соприкосновения их научных интересов, где они могли быть взаимно полезными.

Идея, которую они реализовали в ходе совместной работы, заключалась в следующем: они разрезали в одном месте плазмиду, вставили в это место чужеродный ген – ген устойчивости к тетрациклину – и спаяли вновь образованную кольцевую молекулу. Затем они ввели ее в бактерию, точнее говоря, бактерия сама ее поглотила, есть у них такая характерная особенность – заглатывать из окружающей среды все молекулы, похожие на плазмиды. При размножении бактерии эта плазмида, вместе с введенным в нее чужеродным геном, была скопирована, давая начало штамму генетически модифицированных бактерий, устойчивых к действию антибиотика.

Так Бойер с Коэном получили в 1973 году первый генетически модифицированный живой организм. Это само по себе было важным научным результатом, но они держали в голове другую, далеко идущую практическую цель. Они, например, внедрили в плазмиду ген, ответственный за синтез соматостатина – пептидного гормона роста, состоящего из четырнадцати аминокислот. Ну а где пептиды, там и белки. Бойер внедрил в плазмиду бактерии ген, ответственный за синтез человеческого белка. Полагаю, вы уже догадались, какого белка – инсулина.

Молекулярные машины живых клеток, как мы помним, универсальны в том смысле, что им безразлично, что производить, лишь бы все было по правилам. Универсален и код ДНК, лежащий в основе всего живого. Поэтому ферменты бактерии ничтоже сумняшеся копируют введенный ген, переводят его в РНК, а затем синтезируют на ее основе чуждый ей белок, превращаясь в фабрику по производству нужного нам вещества. Остается только каким-то образом выделить его из бактерий, но это уже техническая проблема. Особенно приятно, что эти “фабрики” способны саморазмножаться. Все, что от нас требуется, – это снабжать их питательными веществами, необходимыми как для размножения, так и для производства белка.

Бойер использовал в своих исследованиях еще одну техническую новинку – разработанный Меррифилдом машинный метод синтеза, о котором я рассказывал в предыдущей главе. Возьмем тот же соматостатит, состоящий из четырнадцати аминокислот. Он кодируется последовательностью из сорока двух (14?3) нуклеотидов. Синтезировать такую цепочку из отдельных нуклеотидов было вполне по силам даже при тогдашнем уровне развития техники. На самом деле надо было синтезировать две комплементарных цепочки, а затем соединить их в молекулу ДНК, но это всего лишь увеличивает время и затраты вдвое, не меняя ничего по сути. Ген, ответственный за синтез инсулина, намного длиннее, но Бойер решил и эту проблему. И именно этот ген он вшивал потом в плазмиду. Вы только вдумайтесь: бактерии с введенным искусственным геном производят человеческий инсулин, который ежедневно спасает от диабетической комы сотни миллионов человек на планете! И все это было сделано в 70-х годах прошлого века, менее чем через четверть столетия после расшифровки структуры ДНК.

Многие полагают, что за все это Бойеру следовало дать Нобелевскую премию. Но он ее не получил. Почему – об этом чуть позже.

В этой истории есть еще два интересных момента. Коэн с Бойером получили патент на разработанную ими технологию. Но роялти по нему получали университеты, где были выполнены исследования. Выплаты превысили сорок миллионов долларов, для Университета Калифорнии в Сан-Франциско это были рекордные в истории выплаты по одному патенту. При чем здесь Коэн с Бойером? Правильно, ни при чем, они ведь выполняли эти работы в “плановом” порядке, получая за это зарплату. Это к вопросу о пресловутой интеллектуальной собственности, которая, как нас пытаются убедить, служит главным движителем научных исследований. Настоящими учеными двигает страсть к познанию, они работают не ради собственности, а за идею, они просто не могут не делать открытий, пусть мелких, как писатель не может не писать книги, а поэт – записывать рождающиеся в его душе стихи. Ученым, как и всем людям, свойствен дух соперничества, они, естественно, мечтают о приоритете, но это не имеет ничего общего с интеллектуальной собственностью. О ней они, да и то не все, задумываются лишь потом, наблюдая, как кто-то другой наживается на их разработках.

Впрочем, к Бойеру это не относится. С ним случилась другая история, которую любят описывать в учебниках по бизнесу, венчурному финансированию и “инновациям в хай-теке”. В 1976 году к Бойеру обратился двадцативосьмилетний предприниматель Роберт Свенсон, прослышавший о научных открытиях Бойера. Согласно легенде, профессор смог уделить бизнесмену пятнадцать минут, но за это время Свенсон ухитрился уговорить его основать биотехнологическую компанию, названную Genetic Engineering Technology, сокращенно Genentech. Они внесли по пятьсот долларов в уставной капитал компании, Свенсон привлек со стороны средства для покупки оборудования и оплаты труда персонала, через два года в компании была разработана упомянутая уже технология получения инсулина, еще через десять Бойер и Свенсон стали мультимиллионерами. В 2009 году фармацевтический концерн “Hoffmann-La Roche” купил компанию “Genentech” за 46,8 миллиарда долларов.Будучи вице-президентом компании, Бойер продолжал преподавать в университете, а в 1990 году сделал взнос в десять миллионов долларов на развитие Йельской школы медицины и создание Бойеровского центра молекулярной медицины. Но это уже не могло спасти его безнадежно погубленную научную репутацию: он предал идеалы науки и продал гены за презренный металл! То ли дело Коэн – он остался “чистым” профессором! Злые языки утверждают, что именно поэтому Бойер и не получил Нобелевскую премию. Ведь ученым не чуждо ничто человеческое, и многие из них ревниво относятся к доходам своих соседей и коллег.Я хочу рассказать вам еще об одном открытии, которое, на мой взгляд, входит в десятку важнейших открытий в химии за последние полвека. Речь пойдет о полимеразной цепной реакции – ПЦР. О ней слышали все, кому довелось посещать современные диагностические центры. Так что против обыкновения начну с технологии.

Представьте, что у вас в руках находится образец ДНК, выделенный из какой-нибудь окаменелости или из вашего собственного организма, вырезанный с помощью рестриктазы из ДНК бактерии или полученный искусственно с помощью автоматического синтезатора. Во всех этих случаях вы располагаете очень маленьким количеством ДНК, подчас одной только молекулой. Проанализировать ее нет никакой возможности – не хватает чувствительности самых мощных современных методов. Единственный выход – каким-то образом размножить эти молекулы ДНК. Но как это сделать?

Природа это делать умеет, удвоение ДНК происходит при каждом делении клетки. Процесс этот очень сложный, выше я описал лишь вершину айсберга, на самом деле в репликации ДНК помимо хеликазы и ДНК-полимеразы участвует множество других ферментов и белков, и нет никакой надежды на то, что нам удастся заставить их работать в пробирке так же слаженно, как в живой клетке. И тем не менее приведенных мною сведений более чем достаточно для осуществления этого процесса. Напомню главный момент: для начала работы ДНК-полимеразе необходима затравка, называемая праймером. В клетке праймеры синтезирует специальная молекулярная машина, а у нас для этого есть автоматический синтезатор.

Итак, для разъединения цепей нам не нужна никакая хеликаза, для этого достаточно просто нагреть водный раствор почти до кипения. Затем добавим в раствор праймеры, соответствующие концевым участкам обеих цепей[41], и начнем охлаждать раствор. В отсутствие праймеров цепи бы вновь соединились, но праймеров мы добавили много, они первыми успевают к концам цепей и прочно связываются с ними. Затем мы охлаждаем раствор до температуры, при которой хорошо работает ДНК-полимераза, добавляем ее в раствор вместе с набором нуклеотидов, и фермент немедленно начинает пристраивать их к праймеру, наращивая комплементарную цепь ДНК. В результате мы получим две точные копии исходной молекулы ДНК. А затем мы вновь нагреем этот раствор почти до кипения…

Так начинается своеобразный цепной процесс с удвоением количества молекул ДНК в каждом цикле, так называемое амплифицирование ДНК. Нетрудно подсчитать, что за 25 циклов образуется около 30 миллионов копий – количество, более чем достаточное как для анализа рутинными методами, так и для последующих превращений. Продолжительность цикла зависит, естественно, от длины молекулы ДНК. В основном копируют фрагменты длиной до 3000 пар нуклеотидов, на проведение одного цикла требуется 1–3 минуты. Но возможно копирование молекул ДНК с длиной до 40 тысяч пар нуклеотидов.

Для практических нужд чрезвычайно важно, что ПЦР позволяет скопировать определенный фрагмент молекулы ДНК. Праймеры при этом выполняют роль колышков, которые мы вбиваем в молекулу ДНК, говоря ДНК-полимеразе: строй от сих до сих. Таким образом, нет необходимости разрезать молекулу ДНК на части и выделять требуемый ген, можно его скопировать и размножить напрямую.

Теперь о человеке, который все это придумал. Зовут его Кари Маллис. Родился он в 1944 году в небольшом городке в штате Северная Каролина, с детства интересовался математикой, физикой и химией (в основном взрывчатыми веществами), образование получил химическое, увлекаясь тем же, чем и все студенты того времени, – ЛСД и все такое прочее. После окончания университета не много позанимался бизнесом, в 1972 получил степень Ph.D. по биохимии в Университете Калифорнии в Беркли, будучи аспирантом, увлекся астрофизикой и опубликовал статью с амбициозным названием “Космологические последствия обращения времени” в журнале “Nature”, ни много ни мало. После защиты диссертации бросил науку ради сочинительства романов, два года управлял пекарней, в 1979 году устроился работать химиком-синтетиком в небольшую биотехнологическую компанию “Cetus” в Калифорнии. Дважды разведен, трое детей. С точки зрения любого нормального человека – полный неудачник.Сам он так, естественно, не считал и продолжал размышлять над великими вопросами. И вот однажды весной 1983 года, в пятницу вечером, возвращаясь с работы, он задался тем же вопросом, что и мы: как размножить ДНК? Ответ пришел в виде озарения. Как рассказывал сам Маллис, он был потрясен красотой идеи, он даже остановился у придорожного киоска, купил бумагу и ручку и стал подсчитывать, сколько же в придуманной им реакции получается ДНК. Числа вы уже знаете, они большие. Весь уик-энд Маллис промучился сомнениями. Идея была хоть и красивой, но очень простой, она была суммой нескольких общеизвестных фактов, казалось невероятным, чтобы кто-то уже не попробовал ее реализовать. В понедельник ни свет ни заря Маллис поехал на работу, чего с ним отродясь не случалось, и все ради того, чтобы покопаться в библиотеке и убедиться в том, что ничего подобного в научной литературе нет.Идея была проста, но претворить ее в жизнь оказалось непросто – первую успешную реакцию ПЦР Маллис осуществил только по прошествии нескольких месяцев. На окончательную отработку методики ушло еще три года. Дело в том, что в описанной мною схеме есть существенный изъян, который вы, возможно, заметили. В начале каждого цикла водный раствор нагревают почти до кипения, ДНК-полимераза такого не выдерживает и денатурирует. Так что Маллису приходилось каждый раз добавлять после охлаждения свежую ДНК-полимеразу, а это лишний расход дорогого фермента и дополнительное загрязнение раствора. И тут Маллис обратил внимание на класс термостабильных ДНК-полимераз, выделенных незадолго до этого из бактерий Thermus aquaticus , обитающих, как понятно из названия, в горячих водах термальных источников.

Их описали несколько групп исследователей, в том числе советский биохимик Алексей Каледин в 1980 году[42]. Эти полимеразы выдерживали кипячение в водном растворе и работали при 70 °С. Так ПЦР обрела законченный вид.

Еще сложнее оказалось убедить научное сообщество в значимости новой реакции. Руководство и сотрудники родной фирмы отнеслись поначалу к идее Маллиса без энтузиазма. Журналы “Science” и “Nature” (на меньшее Маллис был не согласен) его статью отклонили со стандартной отговоркой: статья узкоспециальная, а они публикуют только статьи, имеющие общенаучное значение.

А по прошествии пары лет Маллису пришлось доказывать, наоборот, что это он придумал реакцию ПЦР. Пока он доводил свою методику до уровня Nature, руководство компании, оценившее наконец значимость ПЦР, поручило двум сотрудникам разработать диагностические тесты на ее основе. Их статья в “Science” вышла раньше статьи Маллиса в “Nature”. И тут же встрепенулись другие ученые. У победы много отцов, со всех сторон стали доноситься голоса ученых, утверждавших, что это они открыли ПЦР. Задним числом реакция выглядела тривиальной, основанной на общеизвестных фактах, вот людям и казалось, что они все этого уже делали.

В пользу Маллиса говорил патент, где он был единственным автором. С патентом вышла такая история. Так как Маллис выполнял исследования в рабочее время на оборудовании фирмы, то и патент был собственностью фирмы. За свою работу Маллис получил премию в десять тысяч долларов, а по прошествии нескольких лет компания “Cetus” продала этот патент за триста миллионов долларов.

Впрочем, Маллиса в компании тогда уже не было, он покинул ее сразу после того, как довел до ума реакцию ПЦР. Он занимался разного рода бизнесом до 1993 года, когда ему присудили Нобелевскую премию по химии. С тех пор он полностью отдался виндсерфингу и писательству, счастливо женился, да еще периодически эпатирует общественность заявлениями о том, что американцы на Луне не были, а знаменитые кадры сняты в Голливуде, что нет и СПИДа как болезни, вызываемой вирусом ВИЧ, что изменение климата из-за техногенных выбросов углекислого газа и озоновые дыры – это все выдумки политиков, экологов и ученых, стремящихся нагреть на этом руки. Его за это клеймят сумасшедшим. Так ли это, вам судить. Но внешность у него характерная – настоящий изобретатель, с сумасшедшинкой в глазах.

Вернемся ненадолго к самому методу. Почему ПЦР относят к крупнейшим достижениям химии последнего полувека? Из школьного курса мы помним огромное многообразие типов химических реакций: разложения, присоединения, замещения, изомеризации, полимеризации, поликонденсации и т. д. ПЦР явила первый пример реакций нового типа – размножения или синтеза по шаблону.

В сущности, мы имеем химический реактор, в котором находятся исходные вещества и молекулярная машина. Мы вносим в реактор одну молекулу образца, шаблона, затравки, называйте как угодно, и машина начинает сборку его точных химических копий. Что внесем, то и получим. Эх, распространить бы эту реакцию на всю химию. Да и вообще. Наша извечная беда: единичный экземпляр какого-нибудь устройства мы сделаем, и он будет лучшим в мире, но вот наладить его серийное производство – выше наших сил. Изобрести бы на этот случай какую-нибудь специальную машинку, вроде нанояпонца.

Метод ПЦР удивительно легко автоматизируется. Первые автоматические устройства поступили в продажу в начале 1990-х годов – пример рекордно быстрой промышленной реализации научно-технической разработки. В настоящее время ДНК-амплификатор – довольно рутинный прибор, которым оснащены все хорошие медицинские диагностические центры. Он немногим больше лазерного принтера, в нем можно одновременно осуществлять несколько десятков различных реакций ПЦР в маленьких пластиковых пробирках.

Поражает простота осуществления ПЦР. Не требуется никаких предварительных операций выделения или очистки исходной ДНК, иногда берут просто содержащий ее материал – каплю мочи, слюны, крови, кусочек ткани или кости. ПЦР-амплифицирование во многие тысячи раз упростило, ускорило и удешевило процесс выделения специфического фрагмента ДНК, например, какого-то гена. То, что раньше достигалось многомесячным трудом коллектива высокопрофессиональных специалистов, ныне осуществляет один работник со специальной подготовкой за один рабочий день.

За 25 лет, прошедшие с момента открытия ПЦР, были разработаны как множество ее вариантов, так и многочисленные ее применения в биологии, биотехнологии, медицине, криминалистике, популяционных исследованиях. В сущности, все эти области немыслимы сегодня без использования полимеразной цепной реакции. И неслучайно говорят, что история их развития четко разделяется на два периода: до открытия ПЦР и после.

Я рассказал лишь о двух направлениях практического использования исследований ДНК. Напомню еще о биочипах, описанных во второй главе. Их получают, прививая к поверхности носителя короткие (6–20 звеньев) олигонуклеотиды, а принцип действия основан на комплементарном связывании с фрагментами ДНК. Есть еще генетически модифицированные растения и животные. К ним можно относиться по-разному, но никуда не деться от факта, что это наше будущее, а если быть совсем точным, то уже настоящее. Есть множество и других применений, включая гипотетические ДНК-компьютеры.

В основе всего лежит манипулирование ДНК – нанообъектом – с помощью молекулярных машин, имеющих наноразмеры. Это не просто нанотехнологии, это нанотехнологии в квадрате.

Помню, как я пытался весной 2008 года убедить в этом ученых подмосковного Пущино, центра отечественной молекулярной биологии, на научном кафе, посвященном нанотехнологиям. Не убедил. Они так и остались при своем мнении, что нанотехнологии – это производство неорганических материалов и электроники. Мои ссылки на мировой опыт и призывы к здравому смыслу не произвели впечатления, у ученых был убойный аргумент: “нанотехнологические” гранты давали только в указанных областях, молекулярная биология не присутствовала в перечне спонсируемых тем ни в каком виде.

Ситуация с финансированием с тех пор изменилась, во вновь созданном отделении нанотехнологий Российской академии наук появились академики-биологи, но в общественном сознании генная инженерия и смежные области по-прежнему не ассоциируются с нанотехнологиями, а молекулярные биологи, даже получая соответствующие гранты, упорно отказываются именовать себя нанотехнологами. Научное сообщество в некоторых своих проявлениях удивительно консервативно, тут новое мышление зачастую пробивает себе дорогу намного медленнее, чем в умах широкой общественности. Впрочем, иногда это идет во благо. Ведь новое не всегда означает лучшее.