Наследуемый основной план, определяющий строение и функции любого живого организма, заключен в генетическом материале каждой клетки. Этот плен есть не что иное, как зашифрованная инструкция по синтезу белка. Расшифровка генетического кода открывает новую эру в биологии.
Как функционируют живые организмы и, в частности, как они размножаются? В бактериальной клетке, имеющей менее 0,02 мм в диаметре, протекает не одна тысяча различных химических реакций, которые к тому же строго регулируются. Каким же образом генетическая информация, содержащаяся в клетке, регулирует всю эту сложную деятельность? Когда такая клетка делится, она образует две дочерние клетки, очень сходные с материнской: при этом обе дочерние клетки получают идентичную генетическую информацию. Каким образом происходит этот процесс точного копирования?
Эти вопросы затрагивают самую сущность жизни. Способность питаться за счет элементов окружающей среды и создавать из них сложные органические системы, а также способность сохранять и передавать из поколения в поколение свои характерные черты представляют собой важнейшие признаки живого. Когда мы сумеем объяснить эти способности, исходя из взаимодействия атомов и молекул, мы сможем наконец понять, а возможно, научимся в какой-то мере и регулировать главнейшие механизмы жизненных процессов.
В последнее время мы очень приблизились к решению этих кардинальных вопросов. Базируясь на прочной основе современной физики, химии и генетики, оказалось возможным изучать живые существа, начиная с атомного уровня. За последние десять лет это новое направление, называемое обычно «молекулярной биологией», достигло больших успехов. Так, например, мы теперь представляем себе и в общих чертах и в деталях, что служит материальной основой генетической информации, как эта информация передается из клетки в клетку и каким образом она обеспечивает выполнение важнейшей функции клетки — синтеза белков. Кроме того, что, быть может, еще более замечательно, молекулярная биология позволила сделать два очень важных обобщения. Во-первых, нам теперь известно, что химические особенности основных биологических процессов чрезвычайно сходны во всей природе. Например, генетический материал бактериальной клетки удивительно похож на генетический материал человека, а синтезируемые бактерией белки по общему составу почти идентичны нашим собственным белкам. Во-вторых, мы теперь знаем, что хотя на первый взгляд важнейшие явления и процессы, свойственные живым организмам, представляются очень сложными, тем не менее в основе их лежат события, разыгрывающиеся на атомном уровне, и притом довольно простым образом.
Структура белков
Главнейшие функции живой клетки связаны с двумя большими группами молекул — молекулами белков и молекулами нуклеиновых кислотам удобнее начать с белков.
Основная функция белков — это ферментный катализ; ряд белков наделен ферментативной активностью, т. е. способностью действовать как ферменты — высокоспециализированные катализаторы, ускоряющие происходящие в клетке химические реакции. Не будь ферментов, в мягких условиях температуры и pH, характерных для клетки, большая часть этих, реакций происходила бы крайне медленно. Каждый катализатор оказывает высокоспецифичное действие на ту или иную химическую реакцию. Таким образом, если только клетка в состоянии синтезировать необходимый набор ферментов, все остальное, можно считать, приложится. Кроме того, белки образуют многие живые ткани; из них состоят кожа, волосы, мышцы, кровеносные сосуды и внутренние органы.
Молекулы белков обычно состоят из многих тысяч атомов. Однако, несмотря на столь большие размеры, их основная химическая структура довольно проста. Молекула белка представляет собой обычно одну длинную полипептидную цепь, образованную многократным повторением одной и той же структуры. К этому остову через определенные промежутки прикрепляются различные боковые цепи. Структурные единицы, образующие полипептидную цепь, т. е. мономеры, объединенные в полимерную молекулу белка, представляют собой аминокислоты. Всего известно 20 с лишним различных аминокислот. Каждый белок, длина цепи которого может достигать нескольких сот единиц, характеризуется строго определенной последовательностью расположения аминокислотных остатков. Вслед за классической работой Ф. Сэнджера, установившего последовательность расположения аминокислот в молекуле инсулина, появился еще ряд работ в том же роде. В настоящее время нам уже известна последовательность аминокислотных остатков в молекуле ряда белков.
Эта последовательность определяет так называемую первичную структуру молекулы белка. Полипептидная цепь свертывается, и это придает ей вторичную структуру; часто свернутая цепь имеет вид правильной спирали, как, например, в молекуле миоглобина. Спираль в свою очередь свертывается весьма сложным, но вместе с тем строго определенным образом, в результате чего каждый белок приобретает сложнейшую трехмерную конфигурацию, свойственную ему одному и отличную от конфигурации молекулы любого другого белка. Эта так называемая третичная структура, благодаря которой каждый белок может выполнять свою особую функцию. Таким образом, белки, как группа веществ, имеют весьма тонкое, замысловатое и гибкое строение. Однако скрывающаяся за этой сложностью основная химическая структура — линейная последовательность аминокислотных остатков — довольно проста. Эта простота заставляет думать, что и самый процесс «сборки» молекулы белка из аминокислотных остатков, вероятно, относительно несложен.
Структура нуклеиновых кислот
Каким же образом устанавливается последовательность аминокислот? В каком виде содержится в клетке информация, необходимая для того, чтобы обеспечить правильную последовательность расположения 20 различных видов аминокислот в каждом из нескольких тысяч белков, которые эта клетка способна синтезировать? В этом, по-видимому, и состоит главная функция генетического материала. Гены — структурные единицы, наделенные генетической функцией, — расположены в линейном порядке в хромосомах, а эти последние у высших организмов находятся в клеточном ядре. Возможно, что каждый отдельный ген содержит информацию, необходимую для построения одного определенного белка. В этом заключается смысл гипотезы «один ген — один фермент».
Сейчас мы располагаем множеством данных, позволяющих сделать вывод, что гены состоят из нуклеиновых кислот — другой большой группы биохимических соединений. Существует два типа нуклеиновых кислот, очень сходных друг с другом, — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Генетический материал обычно состоит из ДНК, хотя у некоторых мелких вирусов, например, у вируса полиомиелита, он состоит из РНК. Большая часть РНК выполняет в клетке иные, хотя и близкие к генетическим, функции.
ДНК также представляет собой полимер, и притом с очень длинной цепью. Молекулы ДНК обычно состоят по крайней мере из 10 тысяч мономерных единиц, причем возможно, что, находясь в клетке, они бывают еще длиннее. Остов молекулы ДНК образован закономерно чередующимися единицами двух типов — остатками фосфорной кислоты и углеводными остатками. К каждому углеводному остатку присоединены особые боковые группировки атомов, известные под названием оснований. Однако в отличие от молекулы белка, состоящей из 20 различных элементов, в молекуле ДНК их всего лишь четыре типа; ото — основания аденин, тимин, гуанин и цитозин. Основания могут располагаться в самой различной последовательности, и в настоящее время считается, что именно в последовательности их расположения на данном отрезке цепи ДНК и зашифрована генетическая информация.
Собственно говоря, молекулы ДНК обычно образованы из двух парных цепей, скрученных в спираль, причем основания одной цепи соединяются с основаниями другой, образуя «пары оснований», которые можно сравнить со ступеньками винтовой лестницы. Именно благодаря такой двойной структуре клетка имеет возможность в процессе своего деления воспроизвести точную копию каждой содержащейся в ней молекулы ДНК. Общая длина цепи ДНК в клетке составляет: для фага Т4, инфицирующего кишечную палочку Escherichia coli, примерно 2∙105 пар оснований; для самой кишечной палочки — вероятно, 107, а для человека 2—3∙109 в каждой клетке (этого вполне достаточно для миллиона с лишним генов, если считать, что длина каждого гена соответствует нескольким тысячам пар оснований). Если бы оды могли извлечь цепочки ДНК из всех клеток человеческого тела, развернуть их и соединить вместе, то полученная нить протянулась бы через всю солнечную систему.
Итак, каждый ген фактически составляет часть молекулы ДНК, и длина его соответствует примерно 1000 пар оснований, причем порядок следования четырех различных пар оснований в пределах одного гена каким-то способом строго определяет последовательность расположения 20 различных аминокислот в белке, синтез которого контролируется данным геном.
Вопрос о том, каким же образом это происходит, и составляет сущность «проблемы кодирования».
Проблема кодирования
Впервые идея о том, что информация, необходимая для синтеза белка, закодирована в генах, была высказана Гамовым в 1954 г. Вслед за этим был предпринят ряд попыток разрешить эту проблему в теоретическом плане, но все они потерпели неудачу. Год назад казалось, что расшифровка кода сильно затянулась. Однако совсем недавно в этой области были сделаны столь потрясающие открытия, что, по всей вероятности, код будет в принципе расшифрован в самом ближайшем будущем.
Главная трудность разгадки кода состоит в том, что хотя последовательность расположения аминокислот в молекуле белка при благоприятных условиях может быть установлена, однако до сих пор еще нет методов, позволяющих определить последовательность оснований в том или ином образчике ДНК; поэтому к расшифровке кода приходится подступать не прямыми, а косвенными путями.
Прежде всего необходимо выяснить, сколько нужно оснований, чтобы закодировать одну аминокислоту. Если бы для этого было достаточно двух оснований, то было бы возможно лишь 4X4 = 16 сочетаний; в белках же встречаются аминокислоты 20 с лишним различных типов. Таким образом, число оснований должно быть не меньше трех. Это даст 4X4X4 = 64 возможных сочетания по три, или троек, причем не совсем ясно, каким образом они связаны с 20 аминокислотами. Возможно, например, что каждой аминокислоте соответствует лишь одна тройка, а остальные 44 тройки «бессмысленны», т. е. несут какие-то иные функции. Возможно также, что данный код относится к категории «вырожденных», т. е. что одна определенная аминокислота может кодироваться одной из нескольких троек оснований. В том и другом случае можно ожидать, что одна или несколько троек соответствуют какому-то «промежутку»; более того, не исключено, что существуют особые тройки, обозначающие «начало цепи» и «конец цепи».
Код, предложенный Гамовым, относился к типу «перекрывающихся». При перекрывающемся коде основания 1, 2 и 3 определяют первую аминокислоту, основания 2, 3 и 4 — вторую, и так далее. Легко понять, что при помощи такого кода нельзя было бы зашифровать некоторые последовательности аминокислот, хотя в природе такие последовательности встречаются. Очень скоро было установлено, что предложенная Гамовым категория кодов неверна, поскольку такие коды не соответствуют известным последовательностям аминокислот. Позднее С. Бреннер весьма остроумным способом доказал, что если допустить «универсальность» кода (т. е. существование единого кода для всех организмов), которая бы позволила свести воедино все имеющиеся экспериментальные данные, то таким универсальным кодом не может быть простой перекрывающийся трехбуквенный код.
Недавно эту мысль Бреннера удалось подтвердить более прямыми данными. При перекрывающемся коде замена одного основания, вообще говоря, должна повлечь за собой изменения в трех соседних аминокислотах. Подобные изменения, или «мутации», могут возникнуть спонтанно, но, кроме того, их можно вызвать и искусственно, например, при помощи химических воздействий. Один из способов искусственного изменения последовательности оснований заключается в обработке генетического материала азотистой кислотой, которая дезаминирует основания. Таким образом, можно, например, произвести замену цитозина на другое основание — урацил.
Этот метод применяли к одному из растительных вирусов — вирусу табачной мозаики (ВТМ), генетический материал которого представляет собой не ДНК, а близкую к ней РНК. В остальном частица этого вируса состоит из довольно простого белка, образованного одной полипептидной цепью, в которой насчитывается 158 аминокислотных остатков; последовательность аминокислот в молекуле этого белка установлена двумя группами исследователей — в Беркли и Тюбингене. Обработанный азотистой кислотой вирус (или его РНК) использовали для заражения растений. Этот модифицированный вирус размножался внутри растительной клетки, так что получалось большое количество новых вирусных частиц. Затем белок этих вирусных частиц подвергали исследованию с целью установить изменения в последовательности аминокислот. Эта работа была произведена в основном Г. Виттманом в Тюбингене, который установил, что ни в одном случае изменение не затрагивало две или три соседние аминокислоты. Типичным было изменение лишь одной аминокислоты. Поэтому можно считать практически несомненным, что код не относится к типу перекрывающихся.
Установив, таким образом, что в коде нет перекрывания, мы очутились перед новой проблемой. Как можно установить, где кончается одна тройка и где начинается другая? Если, например, в среднем участке гена имеется последовательность
… ЦАТЦАТЦАТ…,
где Ц обозначает цитозин, А — аденин, а Т — тимин, то следует ли ее читать как
…ЦАТ ЦАТ ЦАТ…
или же как
…Ц АТЦ АТЦ АТ…?
Предлагалось много остроумных решений этой проблемы, однако сейчас ни одно из них не кажется нам верным. По-видимому, чтение «текста» следует начинать с определенного пункта, разбивая в дальнейшем этот «текст» на трехбуквенные «слова».
Экспериментальные данные
К результатам, позволившим сделать подобный вывод, привели генетические эксперименты, проведенные в Кембридже Л. Барнет, С. Бреннером, Р. Уоттс-Тобином и автором. Эксперименты эти ставились на одном определенном гене — цистроне В гена rII фага Т4, который инфицирует кишечную палочку (Escherichia coli). Это тот самый ген, который был столь блестяще изучен С. Бензером. Выбор пал на этот ген потому, что на нем можно изучать события, возникающие относительно редко, и что экспериментировать с ним можно очень быстро. Возможность улавливать редкие события связана с тем, что вирусные частицы можно получать в очень больших количествах; кроме того, существуют особые методы, позволяющие выбрать нужную вирусную частицу из множества других, ненужных.
Основной операцией в наших экспериментах было генетическое «скрещивание». Мы заражали одну бактериальную клетку сразу двумя различными разновидностями фага Т4. Спустя 25 минут такая клетка разрывается, освобождая около сотни новых вирусных частиц. Некоторые из них сходны с одним из «родителей», другие — с другим; однако, кроме того, среди них можно найти частицы смешанного характера, т. е. частицы, несущие некоторые признаки одной «родительской формы», а некоторые — другой.
Возьмем, например, вирусную частицу, в одном из генов которой имеется нарушение в точке А и другую частицу с нарушением в точке В того же гена. В потомстве от скрещивания таких частиц можно найти несколько частиц, несущих оба нарушения (в точках А и В), но также и частицы, не имеющие ни того, ни другого нарушения.
Оказалось, что, чем ближе друг к другу расположены точки А и В в гене, тем реже происходит такая «рекомбинация». Более того, если нарушения А и В попадают в «одно и то же» место, то полноценную структуру получить вообще невозможно. Именно этим методом Бензеру удалось составить карту гена rII и показать, что он образован из множества различных участков, расположенных в линейном порядке.
Мы проводили свои генетические исследования на мутантном гене — гене, измененном под действием профлавина. Имеются косвенные данные, заставляющие думать, что изменения, вызываемые профлавином, заключаются, по-видимому, не в замене, а в добавлении или выпадении одного из оснований. Получив измененные вирусные частицы в больших количествах, мы иногда находили среди них такие, у которых ген rII снова функционировал. Такие частицы встречались чрезвычайно редко (примерно с частотой 1 на 106), но благодаря совершенному методу отбора мы тем не менее могли их обнаружить.
Затем, используя метод составления генетических карт, мы установили, что обычно в таких случаях мы имеем дело не с устранением первоначального нарушения, а с новым нарушением, в одной из близлежащих точек. Оказалось, что каждое из этих изменений само по себе может вызвать утрату функции гена, но если у какого-либо гена оба изменения происходят одновременно, то функция сохраняется, хотя и не в полной мере. Таким образом, при наличии одного лишь нарушения Л или одного лишь нарушения В ген оказывается неспособным функционировать, однако при наличии одновременно обоих нарушений ген вполне хорошо справляется со своими функциями.
Эти результаты навели нас на следующее объяснение. Если генетическое «сообщение» состоит из трехбуквенных «слов», которые следует читать, начиная с одного конца, то добавление одного основания в начале сообщения повлечет за собой изменение всех последующих троек. Становится понятным, почему при этом ген перестает функционировать. Допустим далее, что второе нарушение вызвано выпадением одного основания. Хотя в этом случае несколько троек, лежащих между этими двумя нарушениями, и окажутся измененными, однако в остальном первоначальный смысл сообщения будет восстановлен. Это позволяет понять, почему функция гена восстанавливается, хотя он и несколько отклоняется от исходного типа.
В конечном счете нам удалось получить таким методом около 80 независимых мутаций в этом участке гена. Мы разбили их на два класса: «плюс»-нарушения и «минус»-нарушения, исходя из того, получался ли при их сочетании функционирующий ген. Чисто условно при этом мы принимали, что «плюс»-нарушения заключаются в добавлении, а «минус»-нарушения — в выпадении одного основания. Используя генетические методы, мы получали комбинации типа «плюс» с «плюсом» и «минус» с «минусом»; как и следовало ожидать, во всех этих случаях функция оказывалась утраченной.
До сих пор все шло хорошо. А что, если при помощи генетических методов внести три изменения в один ген? Мы обнаружили, что такой тройной мутант способен функционировать.
Чтобы понять, в чем тут дело, рассмотрим этот эксперимент более подробно. Обозначим три нарушения буквами X, У и Z. Нам известно, что все они принадлежат к «плюс»-классу, так как в сочетании с другим нарушением, обозначенным через Q и отнесенным к «минус»-классу, все они дают функционирующий ген. Все сочетания так или иначе способны функционировать. Если же нарушения X или У присутствуют по отдельности или в сочетании друг с другом, т. е. в виде (X+У), (У+Z) или (Z+X), то несущие их гены лишены функции. Однако если ген содержит все три нарушения сразу, т. е. (X + Y + Z), то он вполне способен функционировать. Это хорошо соответствует нашей теории. Хотя в участке гена, заключенном между добавленными основаниями, и произошли изменения, однако в остальных частях гена порядок оснований остался прежним.
Эти данные ясно показывают, что кодовое отношение, т. е. число оснований, соответствующих одной аминокислоте, либо равно, либо кратно трем. Так, например, оно может быть равным 6, так как вполне возможно, что у нашего исходного мутанта произошло изменение, затронувшее два основания. В таком случае мы получим ту же картину, если все последующие изменения затронут четное число оснований. Имеются, однако, дополнительные сведения, заставляющие полагать, что число оснований действительно равно 3, хотя возможность того, что оно равно 6 или 9, нельзя считать совершенно исключенной.
Кроме того, полученные нами результаты позволяют предполагать, что код относится к типу «вырожденных», т. е. что среди возможных троек оснований нет деления на 20 троек, соответствующих определенным аминокислотам, и 44, так сказать, лишние тройки. Если бы такое деление существовало, то при сочетании «плюс»-нарушений и «минус»-нарушений,. лежащих в гене довольно далеко друг от друга, ген не мог бы сохранять свою функцию, а между тем мы знаем, что он ее сохраняет. Однако в справедливости этого последнего положения мы менее уверены, чем во всех других наших заключениях.
Хотя результаты наших генетических исследований дают общее представление о природе генетического кода, однако было бы невозможно, или, во всяком случае, очень трудно, получить подробные сведения о коде при помощи одних лишь генетических методов. По-настоящему «пробить» проблему кода удалось двум американским ученым, которые сумели подойти к ее решению, используя биохимические методы. Для того чтобы понять сущность их подхода к проблеме, нам придется рассмотреть процесс синтеза белка несколько подробнее.
Считается, что главным местом синтеза белка в клетке служит не ядро, в котором заключен генетический материал, а окружающая ядро цитоплазма. По-видимому, синтез белка происходит в мелких, почти сферических частицах, называемых рибосомами, которые, грубо говоря, состоят наполовину из РНК и наполовину из белка.
Каким образом генетическая информация передается рибосомам? Одно время считалось, что роль посредника в этом процессе играет основная масса рибосомной РНК; однако проведенные недавно исследования установили существование некой особой РНК, названной РНК-посредником, которая синтезируется в ядре в виде однонитевой копии ДНК; из ядра эта РНК направляется в рибосомы, где она служит матрицей для синтеза белка. РНК-посредник, вероятно, обновляется очень быстро (во всяком случае, у бактерий). Итак, мы пришли, в сущности, к классическому рецепту: «ДНК делает РНК, а РНК делает белок».
Каким же образом РНК-посредник выстраивает аминокислоты в нужной последовательности? Сами аминокислоты не могут легко «узнавать» соответствующие основания в РНК-посреднике. Мы предполагаем, что для обеспечения этого «узнавания» каждая аминокислота снабжена «адаптером». Существует специальный активирующий фермент, способный узнавать данную аминокислоту благодаря весьма тонкой структуре своей поверхности и служащий для того, чтобы присоединять аминокислоту к особому адаптеру; этот адаптер опять-таки представляет собой одну из разновидностей РНК, разновидность, получившую название РНК-переносчик. Аминокислота присоединяется к концу своей РНК-переносчика, которая, как мы полагаем, направляется к рибосомам, «узнает» соответствующую тройку оснований у РНК-посредника (образуя пары из своих оснований и оснований РНК-посредника) и, таким образом, водворяет аминокислоту на принадлежащее ей место. Для каждой из 20 аминокислот имеется особая РНК-переносчик и особый активирующий фермент; эта часть процесса очень хорошо изучена в биохимическом отношении. Энергия, необходимая для образования химической связи, освобождается за счет расщепления АТФ — маленькой молекулы, которая обеспечивает энергией многие происходящие в клетке реакции.
Выделив рибосомы из предварительно разрушенных клеток и поместив их в смесь, содержащую РНК-переносчик, многочисленные ферменты, АТФ, гуанозинтрифосфат и аминокислоты, можно добиться некоторого синтеза белка в бесклеточной системе.
Разгадка «букв» кода
Недавно двое американских ученых, Ниренберг и Маттеи, попытались стимулировать синтез белка, добавляя в среду вирусную РНК. Затем они решили попробовать добавить «синтетическую» РНК, которую они синтезировали при помощи простой ферментной системы и которая содержала не все четыре основания, а лишь одно из них — урацил (У) в многократной повторности (в РНК вместо тимина, присутствующего в ДНК, содержится родственное тимину основание — урацил). Это вещество, известное под названием полиурацила, при добавлении к бесклеточной системе стимулировало образование полипептидных цепей, состоящих из одной лишь аминокислоты — фенилаланина. Поэтому можно думать, что кодом для фенилаланина служит тройка оснований ууу.
Результаты этих экспериментов были доложены на Международном биохимическом конгрессе, происходившем в августе 1961 г. в Москве, и все сразу поняли, что этот путь весьма перспективен для расшифровки генетического кода. Хотя мы еще не научились синтезировать длинные участки цепи молекулы РНК с определенной последовательностью оснований, мы уже умеем получать молекулы с очень короткой цепью, состоящей из 3—4 оснований, расположенных в определенной последовательности, и эти короткие молекулы можно использовать в качестве исходного материала для ферментативного синтеза длинных цепей. Кроме того, мы можем синтезировать полимеры, составные элементы которых известны, но расположены случайным образом. Например, можно получить поли-УЦ — сополимер урацила и цитозина со случайным расположением этих оснований. В нескольких лабораториях было установлено, что при добавлении этого сополимера к бесклеточной системе происходит синтез полипептидных цепей, в состав которых входят только 4 из 20 известных аминокислот, а именно — фенилаланин, серин, лейцин и пролин. В настоящее время исследования в этом направлении идут полным ходом и статьи появляются одна за другой. Потребуется некоторое время, чтобы устранить все сучки и задоринки и подвести под все эти данные прочную основу, однако предварительные результаты — в особенности работы Ленгайеля, Спейера и Очоа не оставляют сомнений в том, что искусственные молекулы РНК весьма специфичны во всех своих воздействиях. Кроме того, начинает вырисовываться весьма многообещающее сближение между данными этих авторов и результатами исследований Виттмана на мутантах вируса табачной мозаики, полученных под действием азотистой кислоты.
Однако если даже этот путь приведет к успеху, т. е. позволит точно установить, каким тройкам оснований соответствуют какие аминокислоты, то две стороны проблемы останутся все же невыясненными. До сих пор еще не удалось доказать существования простой зависимости между линейным расположением отдельных элементов в данном гене и последовательностью аминокислот в молекуле белка, синтез которого этот ген контролирует. Это можно было бы сделать, сопоставляя детальнейшие генетические карты гена с данными об изменениях, которые он способен вызвать в последовательности аминокислот, входящих в молекулу соответствующего белка. К сожалению, мы не можем составить генетическую карту для вируса табачной мозаики, белок которой удобен для таких исследований, и, наоборот, мы не знаем, на синтез каких белков влияют гены rII фага Т4, для которых легко составить генетические карты. Однако сейчас делаются попытки проводить исследования на других объектах как фагового, так и бактериального происхождения. Было бы весьма удивительным, если бы оказалось, что между линейным расположением отдельных элементов в гене и в молекуле белка не существует определенного соответствия: напротив, мы надеемся, что в течение ближайшего года такое соответствие будет установлено хотя бы для одного или двух случаев.
Что касается другой проблемы, то здесь мы менее уверены в ответе. Носит ли код универсальный характер? Мы знаем, что набор одних и тех же 20 аминокислот используется во всей живой природе — от вирусов до человека, однако нам не известно, во всех ли случаях они закодированы одними и теми же тройками оснований. Некоторые данные заставляют считать, что код всегда одинаков, во всяком случае в основном. Располагая синтетическими РНК, мы быстро добьемся ответов на эти вопросы, используя бесклеточные системы, полученные от разных организмов.
Таким образом, в случае удачи генетический код будет расшифрован. Какие это может иметь последствия? Вероятно, наиболее непосредственный результат сведется к подтверждению наших общих представлений о механизмах, лежащих в основе передачи генетической информации. Любая научная теория, какой бы привлекательной она ни оказалась, может быть признана правильной лишь после того, как будут накоплены подробные данные, подтверждающие ее с нескольких различных сторон. Пока будет происходить это необходимое накопление данных, мы можем надеяться, что, используя все ту же простую синтетическую РНК-посредник, мы сумеем открыть различные биохимические ступени всего этого процесса, причем возможно, что в этой области нам придется столкнуться с некоторыми неожиданностями.
Новая эра
В общем же и целом все чувствуют, что наступает конец определенной эры в развитии молекулярной биологии. Если открытие структуры ДНК ознаменовало конец начала этой эры, то открытие Ниренберга и Маттеи положило начало ее концу. Теперь нам придется приступить к изучению самых запутанных вопросов цитологии. Самая первоочередная проблема — это проблема генетического контроля. Чем определяется, будет ли действовать данный ген или нет? Генетическая сторона этой проблемы кое-как изучена на бактериях, однако о биохимической стороне нам практически ничего не известно. В конечном счете это приведет нас от регуляторных механизмов отдельной клетки к взаимодействиям между группами клеток и ко всему процессу эмбрионального развития. По пути нам придется сильно углубить и расширить наши знания о клеточных мембранах, в частности, об активном переносе молекул сквозь эти мембраны и о взаимодействии между поверхностями различных клеток.
Быть может, расшифровка генетического кода поможет нам разобраться в труднейшей проблеме, которую мы до сих пор попытались решить в основном умозрительным путем, — в проблеме происхождения жизни. Значительное биохимическое единообразие живых существ, безусловно, свидетельствует в пользу общности их происхождения, и не исключена возможность того, что в некоторых чертах, которыми наделены ныне живущие организмы, как бы законсервирована вся предыдущая история их развития. Например, возможно, что первоначально в состав молекулы ДНК входило только два основания, которые служили кодом для меньшего числа аминокислот. Быть может, нам удастся установить это на основании структуры кода, как только она станет известна во всех подробностях.
Наконец, возможно, что мы научимся синтезировать гены из органических соединений или, что более вероятно, изменять гены в желаемом направлении и в желаемой степени, превращая нефункционирующий ген в функционирующий. В настоящее время методические трудности кажутся огромными, однако после детальной разработки самой проблемы мы, во всяком случае, начнем думать о том, с какой стороны к ней подступиться. Конечно, это будет нелегко.
Автор: Ф. Крик