Юбилейная ДНК: 80 лет, как мы все знаем, зачем она нужна

4 февраля 1944 года, в свет вышел очередной номер издания The Journal Of Experimental Medicine. Этому номеру суждено было стать знаковым и коллекционным: именно здесь была опубликована статья об исследованиях, которые неопровержимо доказали, что носителем наследственной информации является ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. Рассказываем о том, кто и как это открыл, о полезном гное, стафилококках, рептилоидах и прочих прекрасных вещах.

— Добрый день! — говорит зашедший в аптеку человек. — Будьте добры, дайте мне ацетилсалициловой кислоты. — В смысле аспирин? — отвечает ему провизор. — Да, вы правы, всё время забываю это название!

Анекдот.

Сложные химические названия сложных химических соединений многие плоховато запоминают во время школьного курса химии. Однако полное название ДНК известно практически всем – это дезоксирибонуклеиновая кислота.

Впервые ДНК как химическое соединение выделили чуть более 150 лет назад: в 1869 году швейцарский биолог Иоганн Фридрих Мишер обнаружил его в остатках лейкоцитов, которые в обилии содержались и содержатся в гное. Собственно, его объектом внимания эти самые лейкоциты и были, поэтому местная хирургическая больница постоянно снабжала его материалами – корзинами с гнойными повязками, снятыми с ран. Получая с повязок лейкоциты, он исследовал найденные в них белки.

Однако скоро учёный понял, что кроме белков, в лейкоцитах есть какое-то странное неустановленное соединение. При подкислении раствора оно выпадало в осадок в виде то белых хлопьев, то белых ниток, а при последующем подщелачивании снова растворялось. При отмывании лейкоцитов соляной кислотой биолог заметил, что от оных лейкоцитов одни ядра остались, из чего сделал вывод, что странное соединение прячется где-то в ядре. Почему и назвал его нуклеин, от латинского слова nucleus — ядро.

Мишер начал настойчиво искать это соединение и пытаться понять его природу. Он смог его выделить и очистить, после чего стал допытываться, что у него в итоге оказалось в колбе. Ферменты, переваривающие белок, получившийся осадок не брали, а значит, это был не белок; эфир и другие органические растворители тоже оставляли его неизменным, а значит, это был не жир. Несмотря на то, что процесс химического анализа в XIX веке не отличался скоростью и точностью, Мишер всё-таки понял, что его свеженький нуклеин состоит из углерода, кислорода, водорода, азота и фосфора. Наука того времени ещё не знала органических соединений, которые содержали бы фосфор, из чего Мишер сделал вывод, что он очевидно на пороге открытия какого-то нового класса внутриклеточных соединений.

Все произведённые действия биолог отразил в статье и послал её своему учителю Феликсу Гоппе-Зейлеру — кстати, тот был одним из основателей биохимии в принципе. Учитель крайне заинтересовался и примерно год потратил на свои собственные исследования, которые должны были открытие Мишера подтвердить или опровергнуть. Ученик в это время нервно ждал: опасался, что за время работы Гоппе-Зейлера нуклеин откроет ещё кто-нибудь, и лавры достанутся не ему. Однако нервничал он зря, и в 1871 году в журнале «Медико-химические исследования» статья Мишера вышла. Правда, вызвала она не фурор, а скорее волну насмешек — были даже учёные, которые говорили, что Мишер нашёл случайно попавшую с бинта грязь.

Тем не менее, после этого события Мишер стал заведующим кафедрой физиологии Базельского университета и продолжил исследовать свой любимый нуклеин. Он нашёл более продуктивный и более приятный, нежели гнойные повязки, источник исследования — молоки лосося. Лосось в Швейцарии тогда водился изрядно, и химик ходил его ловить самостоятельно на Рейн, протекающий через Базель. Кстати, молоки лососёвых рыб до сих пор массово используются для получения ДНК.

Через три года, в 1874 году, Мишер опубликовал следующую статью, в которой утверждал, что нуклеин каким-то образом связан с процессом оплодотворения. Однако с наследственной информацией он нуклеин не связал, поскольку вещество показалось ему слишком тупым и простым, чтобы кодировать всё разнообразие наследственных признаков.

Нуклеин со временем перестал его интересовать: за остальную жизнь Мишер исследовал физиологию лососёвых, составлял дешёвый и здоровый рацион для швейцарских тюрем, основал в Базеле Институт анатомии и физиологии и умер в 1895 году от туберкулёза. Ещё при жизни учёного его нуклеин стали называть нуклеиновой кислотой. Мишера это страшно раздражало.

Жизненные процессы – как драма, и я изучаю актеров, а не сюжет. Актеров много, и их характеры являются основой всей постановки. Я пытаюсь понять их привычки, их особенности.

Альбрехт Коссель

Однако раздражало исследователя это совершенно зря. Немецкий биохимик Альбрехт Коссель — кстати, тоже бывший учеником упомянутого выше Госсе-Зейделя — занялся нуклеином и подтвердил, что его небелковый компонент является именно кислотой. В конце XIX века он выделил в ней её «строительные блоки» — азотистые основания в виде аденина, цитозина, гуанина и тимина, а также урацил, который замещает тимин в РНК. За эту свою работу он в 1910 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Однако ДНК всё ещё никто не подозревал в том, что именно она передаёт всю наследственную информацию. Соединение было простоватым — другое дело белки: их сложная структура разве что не сигнализировала о том, что они явно обеспечивают всё многообразие жизни.

С 1918 по 1920 год в мире разразилась страшнейшая пандемия «испанки» — гриппа, который унёс огромное количество жизней. Нижняя планка оценок его последствий — это 17,4 миллиона умерших за два года. Английский генетик Фредерик Гриффит задумался о том, чтобы изготовить вакцину от этого ужаса и для этого стал работать с двумя штаммами бактерии Streptococcus pneumoniae. Один из них был безвредным и живым, а второй – вирулентным и «убитым». В процессе в 1928 году учёный произвёл эксперимент, который позднее назвали экспериментом Гриффита и благодаря которому он вошёл в историю.

Гриффит смешал один штамм с другим и ввёл его подопытным мышкам. Мышки погибли. Учёный выделил болезнетворные бактерии из умерших мышек и с удивлением обнаружил, что безвредный штамм стал вредоносным и более того, сохранил это своё качество в следующих своих поколениях. На основании этого наблюдения Гриффит предположил, что где-то здесь явно должен бродить некий «трансформирующий фактор», который убитые бактерии получили от живых.

К сожалению, Фредерик Гриффит так и не узнал, что это был за фактор. В 1941 году он погиб в своей лаборатории от налёта фашистской авиации на Лондон. До открытия того, что наследственную информацию передаёт ДНК, оставалось три года.

Джон Рокфеллер, как известно, был не только рептилоидом (зачёркнуто) нефтяным магнатом, но и благотворителем. В 1901 году он основал институт медицинских исследований, который скромно назвал своим именем и который сейчас известен как Рокфеллеровский университет. Именно здесь трое учёных — американцы Освальд Эвери и Маклин Маккарти и канадец Колин Манро Маклауд — в процессе опытов с всё теми же пневмококками убедились, что носителем генетической информации является именно ДНК.

В 1930–40-е годы учёные по сути продолжили эксперименты вышеупомянутого британца Фредерика Гриффита, тем более, что его результаты были подтверждены на тот момент немецким институтом Роберта Коха и всё тем же Рокфеллеровским институтом. Они попытались разобраться, что именно отвечает за трансформацию — то есть за приобретение живой безвредной культурой болезнетворных свойств при добавлении к ней мёртвых болезнетворных бактерий.

В ходе эксперимента учёные с помощью нагревания убили колонию пневмококков и выделили из неё экстракт. Этот экстракт для начала обработали протеазами — ферментами, которые разрушают белки. Экстракт после этой обработки бодро продолжил передавать свою болезнетворность. Однако после обработки другого такого же экстракта дезоксирибонуклеазами — то есть ферментами, разрушающими ДНК — он уже ничего не передавал. Так Эвери, Маклауд и Маккарти убедились, что действующим началом бактериальной трансформации является именно ДНК. А значит, именно она и несёт в себе бесценную генетическую информацию.

4 февраля 1944 года в рокфеллеровском же журнале The Journal Of Experimental Medicine появилась статья под названием, которое можно перевести как «Исследования химической природы вещества, индуцирующего трансформацию пневмококков: индукция трансформации фракцией дезоксирибонуклеиновой кислоты, выделенной из пневмококка III типа» (Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Deoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III).

Над этой статьёй уже не смеялись и ДНК никто не называл комком случайной грязи. Правда, до понимания, как ДНК передаёт информацию и из чего состоит — то есть до знаменитого открытия Френсиса Крика и Джеймса Уотсона — оставалось ещё девять лет: ДНК открыла свои тайны миру в 1953 году. Однако именно 80 лет назад, в 1944 году, учёные чётко показали, что именно это соединение передаёт всю наследственную информацию. Кстати, свою собственную наследственную информацию — историю семьи, ценные фотографии и видеосъёмки, семейное древо — можно запросто сохранить в нашей Цифровой капсуле времени.