Восхождение человечества

Большие хромосомы клеток луковой шелухи.

Однако основной вопрос генетики заключается не в том, где гены расположены. Важно то, как они действуют. Каждый ген представляет собой набор нуклеиновых кислот. Там все и происходит.

Каким образом признаки передаются от одного поколения к другому, было открыто в 1953 году. Действие начало разворачиваться осенью 1951 года, когда двадцатилетний Джеймс Уотсон и тридцатипятилетний Фрэнсис Крик объединили свои усилия в Кембридже, чтобы расшифровать структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, которую чаще для краткости именуют ДНК. ДНК представляет собой нуклеиновую кислоту, то есть кислоту в ядре клетки, и в предыдущее десятилетие уже было установлено, что нуклеиновые кислоты несут химическую информацию о наследовании от поколения к поколению. Исследователей в Кембридже и в лабораториях Калифорнии занимали два вопроса: каков химический состав? какова архитектура?

Каков химический состав? То есть каковы составные части ДНК, которые можно перетасовать и получить различные формы? Это было известно довольно хорошо. ДНК состоит из сахаров и фосфатов (без них никак, из соображений структуры) и четырех азотистых оснований. Два из них — это тимин и цитозин, они выглядят как правильные шестиугольники, образованные атомами углерода, азота, кислорода и водорода. Два других — гуанин и аденин — образованы соединенными вместе шести- и пятиугольниками. Мы представляем эти основания в виде многогранников, потому что нам важно увидеть общую форму за отдельными атомами.

Какова архитектура? То есть какова структура оснований ДНК, которая дает ей способность нести разнообразную генетическую информацию? Здание не груда камней, а молекула ДНК не нагромождение оснований. Она представляет собой длинную, но довольно ригидную цепочку — что-то типа органического кристалла — и имеет винтовую (спиралевидную) форму. Может ли ДНК содержать две, три или четыре спирали? Мнения ученых разделились: одни утверждали, что ДНК состоит из двух цепочек, другие настаивали на трех. В конце 1952 года великий гений структурной химии Лайнус Полинг, работавший в Калифорнии, предложил модель ДНК, состоящую из трех спиралей. Сахара и фосфаты образуют несущую конструкцию, а основания торчат во всех направлениях. Статья Полинга попала в Кембридж в феврале 1953 года. Крику и Уотсону сразу стало очевидно, что в ней что-то не так.

Возможно, Джим Уотсон хотел упростить модель или сыграла роль его несговорчивость, но он решил, что спиралей должно быть две. После визита в Лондон:

Я вернулся в колледж, перелез через задние ворота и решил построить модель ДНК с двумя цепочками. Фрэнсису пришлось согласиться. Конечно, он был физик, но знал, что значимые биологические объекты обычно существуют парами.

Причем они создавали структуру, которая имела бы внешний остов: нечто вроде винтовой лестницы, которую сахара и фосфаты удерживают как перила. Они много экспериментировали, чтобы понять, как основания образуют ступеньки в этой модели. И затем, после одной особенно грубой ошибки, все вдруг стало очевидным:

…я поднял глаза, увидел, что это не Фрэнсис, и снова начал раскладывать основания так и эдак. И вдруг я заметил, что пара аденин — тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин — цитозин, тоже соединенная по меньшей мере двумя водородными связями.[13]

Конечно: на каждой ступени лестницы должны быть малое основание и большое основание, но не любое большое основание. Тимин должен идти в паре с аденином, а если у вас цитозин, то он дополняется гуанином. Основания соединяются в пары и определяют друг друга.

Итак, модель молекулы ДНК — это винтовая лестница. Закручивающаяся вправо спираль, в которой каждая ступень одинакового размера, расположена на одинаковом расстоянии от следующей и повернута относительно другой на 36°. И если цитозин на одном конце ступеньки, то на другом обязательно будет гуанин, и также обстоят дела с другой парой. Это означает, что каждая половина спирали несет полную информацию, так что в некотором смысле вторая является излишней.

Давайте построим молекулу на компьютере. Схематично это пары основ, пунктирные линии между концами — это водородные связи, удерживающие два основания вместе. Начнем с самой первой ступени, которую поместим в левом нижнем углу экрана, и будем постепенно, ступенька за ступенькой, выстраивать молекулу ДНК.