Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Гены оказывают главное влияние на поведение клеток и в конечном счете всего организма, инструктируя клетку о том, как синтезировать определенные белки. Для жизни эта информация основополагающая, потому что белки выполняют основную работу в клетке – большинство клеточных ферментов, структур и операционных систем состоят из белков. Для этого клетки «переводят информацию с одного языка на другой» – с четырехбуквенного алфавита ДНК, состоящего из «букв» A, T, G и C, на более сложный язык белков, состоящих из упорядоченных цепочек из 20 различных кирпичиков, называющихся аминокислотами. К началу 1960-х гг. ученые уже знали о существовании данной связи между генами и белками, но было неизвестно, каким образом клетка переводит информацию с языка ДНК на язык белков.

Эта связь называется генетическим кодом, представлявшим в те времена подлинную криптографическую головоломку для биологов. Взломать этот код удалось в конце 1960-х – начале 1970-х гг. последовательно несколькими учеными. Ближе всего я был знаком с Фрэнсисом Криком и Сидни Бреннером. Из всех встречавшихся мне биологов Сидни был наиболее остроумным и дерзким. Как-то раз он проводил со мной собеседование для приема на работу (куда меня не взяли), в ходе которого описывал своих коллег, сравнивая тех с монструозными фигурами на картине Пикассо «Герника», репродукция которой висела на стене его офиса. Юмор его строился на сопряжении самых неожиданных вещей, и подозреваю, что таков же был источник его безграничной творческой изобретательности как ученого.

Он и другие дешифровальщики показали, что четырехбуквенный алфавит ДНК скомпонован в трехбуквенные «слова» на каждой нити лестницы ДНК, при этом большинство таких коротких слов соответствует конкретному аминокислотному кирпичику белка. Например, «слово» ДНК GCT говорит клетке, что нужно прибавить аминокислоту аланин к новому белку, а TGT требует аминокислоту цистеин. Можно представить себе ген как последовательность слов ДНК, нужных для создания какого-либо определенного белка. Скажем, ген человека, называемый бета-глобин, содержит свою основную информацию в 441 «букве» ДНК (то есть 441 нуклеотиде), образующих 147 трехбуквенных «слов» ДНК, которые клетка переводит в молекулу белка длиной в 147 аминокислот. Здесь бета-глобиновый белок помогает сформировать несущий кислород пигмент гемоглобин, обнаруживаемый в эритроцитах, поддерживающий жизнь тела и придающий крови красный цвет.

Расшифровка генетического кода раскрыла главную тайну, лежащую в основе всей биологии. Было продемонстрировано, что хранящиеся в генах статические инструкции могут быть преобразованы в активные белковые молекулы, которые формируют наши клетки и управляют их работой. Расшифровка кода проложила дорогу в современный мир, в котором биологи могут без труда описывать, интерпретировать и модифицировать последовательности генов. Это достижение в то время казалось столь значительным, что некоторые биологи отложили свои приборы в сторону, решив, что самые фундаментальные проблемы клеточной биологии и генетики уже решены. Даже Фрэнсис Крик решил сместить свое внимание с клеток и генов на тайны человеческого сознания.

Сегодня, более полувека спустя, нам ясно, что задача далеко не решена. Тем не менее биологи добились существенного прогресса. За столетие с понятием гена, изначально воспринимаемого как абстрактный элемент, произошла радикальная перемена. Когда в 1973 г. я получил докторскую степень, ген уже не был просто неким понятием или частью хромосомы. Его рассматривали как цепочку оснований ДНК, кодирующую функции белка в клетке.

Биологи вскоре научились определять местоположение генов на конкретных хромосомах, извлекать их и перемещать между хромосомами, даже вставлять их в хромосомы особей других видов. К примеру, в конце 1970-х гг. была выполнена перестройка хромосом бактерий E. coli

для включения человеческого гена, кодирующего белок инсулин, который контролирует уровень сахара в крови. Такие генетически модифицированные (или ГМ) бактерии в изобилии производят аналог белка инсулина, идентичный вырабатываемому поджелудочной железой человека. С тех пор эти бактерии помогли миллионам людей по всему миру справляться с диабетом.

В 1970-е гг. британский биохимик Фредерик Сэнгер сделал еще одно важнейшее новаторское открытие – он разработал способ «чтения» генетической информации. С помощью хитроумной комбинации химических реакций и физических методов он выявил природу и последовательность всех нуклеотидов, составляющих ген (это называется «секвенирование ДНК»). Число «букв» ДНК в разных генах значительно различается, от пары сотен до многих тысяч, и возможность прочесть их и предсказать, какой белок они создадут, была гигантским шагом вперед. Фред, в высшей степени скромный и в той же мере талантливый человек, в итоге стал дважды нобелевским лауреатом!