Золото, пуля, спасительный яд

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.