А теперь посмотрим, что происходит в клетке после проникновения в нее нуклеиновой кислоты вируса.
Предыдущую главу мы закончили словами: «в клетку входит нуклеиновая кислота вируса». Но такой повествовательный стиль не отражает всего драматизма возникающей ситуации. Правильнее было бы сказать «врывается», потому что события, которые развиваются в зараженной клетке, скорее напоминают налет разбойничьей шайки. Правда, этот налет происходит необычайно организованно и планомерно, как если бы наши «грабители» обладали железной дисциплиной и единой волей.
Рассмотрим течение этой «разбойничьей операции» на примере бактериофагов, где вирусная «криминалистика» разработана полнее всего. Но предварительно договоримся о точном значении нескольких новых терминов, которыми мы будем пользоваться.
Вам, конечно, хорошо известно слово «информация». В бытовом смысле оно означает сообщение, то есть ту сумму сведений и новостей, которую мы получаем по самому различному поводу из самых различных источников: из газет, из книг, по радио, в разговоре со знакомыми. Самые привычные для нас формы информации — это печатный текст и речь.
Однако понятие информации имеет и несколько иной смысл. В кибернетике информацией обозначают всякие сведения и сигналы независимо от их формы, которыми могут обменяться между собой любые объекты, будь то люди, животные или машины. Информация — это и звонок у нашей двери, извещающий о приходе гостей, и лай собаки, встречающей незнакомого, и программа операций, закладываемая в автоматический станок. Более того, информация — это и то чувство голода, которым организм сигнализирует нашему сознанию об истощении в нем запаса питательных веществ и необходимости их пополнения и т. п.
С понятием информации тесно связаны также наследственность и изменчивость вирусов и сам процесс размножения, в течение которого эта генетическая информация реализуется. Нуклеиновая кислота вообще и вирусные нуклеиновые кислоты в частности, которые рассматриваются нами только как простая модель всего живого, — настоящие хранители информации. В них записаны, или, как говорят, закодированы, то есть зашифрованы, все наследственные свойства вирусов, весь тот запас сведений, информации, которые необходимы вирусу для жизни и размножения. С этой точки зрения нуклеиновые кислоты являются хранилищем генетического кода (шифра).
Слово «код» или «шифр» в данном случае обозначает только особую форму хранения и передачи информации. Например, мы хотим сообщить другому человеку о существовании какого-либо предмета, хотя бы стола. Мы можем либо показать рукой на стол, либо нарисовать его, либо же произнести или написать слово «стол». Звуки и буквы как раз и будут тем шифром, с помощью которого мы передадим информацию о существовании стола. Мы так привыкли к звучанию слова или написанию его, что слово «код» или «шифр» для нас в сочетании со столь обиходным способом выражения звучит несколько необычно. Но если вы захотите то же самое передать с помощью азбуки-Морзе, то точки и тире телеграфной ленты, особенно если вы их не умеете читать, как раз и приобретут для вас значение шифра.
Телеграф обходится только двумя знаками для передачи всей суммы необходимых сведений. В русском алфавите этот же процесс совершается с помощью тридцати двух букв. А в нуклеиновой кислоте для записи информации служат четыре «знака», четыре нуклеотида, отличающихся друг от друга по химическому составу. Если обозначить их по первым буквам названий — адениловая, гуаниловая, цитидиловая и уридиловая (или тимидиловая) кислоты, то получится свой генетический алфавит: АГЦУ — для РНК и АГЦТ — для ДНК. Все то, что составляет наследственные свойства нашего тела, полученные нами от предков и передаваемые потомству, «записано» в наших нуклеиновых кислотах в. форме разных сочетаний этих четырех нуклеотидов.
Естественно, что в таких простых организмах, как вирусы, объем наследственной информации сравнительно невелик и для его записи и хранения достаточно небольшого количества нуклеиновой кислоты. Само собой разумеется, что в более сложных биологических объектах — бактериях объем информации, а вместе с ней и количество нуклеиновой кислоты сильно увеличивается. По мере перехода к более сложным формам жизни количество хранимой и передаваемой генетической информации все увеличивается и увеличивается. Так, в РНК вируса табачной мозаики имеется около 6 тысяч знаков АГЦУ, то есть около 6 тысяч нуклеотидов, в бактериофагах это количество возрастает до 300 — 400 тысяч, а в бактериях до 10 миллионов и т. д. Если объем информации в «вирусе табачной мозаики сравнить с размерами тоненькой брошюры, то с переходом к более сложным формам жизни количество страниц в ней будет все увеличиваться и постепенно она превратится в большую книгу, а на самых высших ступенях живого мало чем станет отличаться от многотомного издания полного собрания сочинений какого-нибудь знаменитого писателя.
Вернемся к бактериальной клетке, которую мы только что заразили бактериофагом. Внутрь нее проникла только ДНК, несущая информацию о свойствах этого вируса, его потребностях и средствах, необходимых для его синтеза. Но ведь в клетке имелась и своя собственная нуклеиновая кислота, которая до сих пор давала свою информацию для нормального течения жизненных процессов.
Однако наш фаг-грабитель — опытный преступник. По «команде» фаговой ДНК в зараженной клетке немедленно начинает синтезироваться специфический фермент, разрушающий ДНК бактериальной клетки. Иногда же разрушение ДНК — хозяина не происходит, но ее синтез какими-то неизвестными нам путями все-таки прекращается. В результате этого ДНК фата оказывается единоличным хозяином обезоруженной клетки.
В клетке обычными строительными инструментами являются молекулы ферментов белковой природы. Поэтому немедленно после заражения фаговая ДНК дает информацию об изготовлении таких ферментов. По-видимому, часть ферментов, которые существовали в клетке до заражения, используется для этой цели непосредственно, но основная масса делается заново. Тем более, что в бактериофаге и его ДНК есть такие компоненты, которые нормальная клетка вообще не синтезировала. В первые 5 минут после заражения в клетке синтезируется столько «инструментов»-ферментов, что по «весу они даже превышают фаговую частицу, заразившую клетку!
А происходит это так. ДНК фага — только хранитель информации, она только подает команды, распоряжается, но сама непосредственно «не работает». На различных частях ее поверхности, точно снимая расположение генетического шифра, то есть копируя различные сочетания «букв» АГЦТ, формируются более мелкие молекулы «вспомогательной» нуклеиновой кислоты, так называемой РНК-посредника. Они-то и переносят необходимую информацию на рибосомы: настоящие фабрики для синтеза различных белков.
Таким образом, разрушив командный аппарат бактериальной клетки, то есть ее ДНК, и, следовательно, уничтожив даже возможность синтеза бактериальной РНК-посредника, фаг захватывает далее и «производственные мощности» — сами фабрики. После того как «производство средств производства» начало работать на синтез вируса, после того как фабриками-рибосомами было выпущено достаточное количество инструментов-ферментов, начинается размножение самой ДНК.
Среди прочих «инструментов» по команде фаговой ДНК был синтезирован очень важный фермент, называемый синтетазой или полимеразой ДНК. За открытие этого фермента американскому ученому Артуру Корнбергу была присуждена Нобелевская премия. Именно этот фермент осуществляет непосредственно синтез ДНК, почему он и называется синтетазой. Второе его название (полимераза) связано с тем, что ДНК — полимер, и поэтому процесс ее синтеза неизбежно является в то же время и полимеризацией. Конкретный механизм реакции полимеризации ДНК выяснить пока не удалось, но ее сущность сводится к процессу «печатания с матрицы».
ДНК — это двойная цепочка, как бы спираль из двух нитей, которые составлены из различных сочетаний АГЦТ. Фермент полимераза, вероятно, движется по такой двойной цепочке, как застежка «молния», когда она разъединяет ленты. Спираль размыкается, ее нити расходятся, а одновременно на освободившихся участках ДНК строятся («печатаются») сходные с ней цепочки новой ДНК. И так до конца, пока не будет пройдена по длине вся молекула.
Синтез новых цепей ДНК идет одновременно по двум цепочкам. В результате, как только будет пройден последний участок цепочек, вместо одной исходной молекулы ДНК станет две. Как вы легко можете себе представить, половинка каждой синтезированной молекулы ДНК состоит из одной старой и одной новой цепочки. Дальше уже две молекулы дадут начало четырем новым. Эти четыре — следующим восьми и т. д.
Естественно, что все синтезированные молекулы, таким образом, представляют собой точные копии исходной родительской молекулы. Такое строгое копирование и является химической основой механизма наследственности. Если же по той или иной причине, например, при действии облучения, нарушить порядок, в котором сочетаются нуклеотиды АГЦТ в родительской ДНК, то изменение «скопируется» в процессе размножения. Другим случаем изменчивости может быть «ошибка» при синтезе дочерних цепочек. Такое изменение (мутация) также будет сохранено при дальнейшем «печатании». Если оно окажется полезным, обладатели такой «счастливой ошибки» выиграют, если нет — погибнут в результате естественного отбора. Вся сумма операций, связанных с хранением и размножением генетического кода в ДНК, и составляет молекулярную основу генетики.
Одновременно е синтезом вирусной нуклеиновой кислоты в клетке идет и синтез вирусного белка с помощью уже известной нам РНК-посредника. Синтезированный белок покидает молекулу РНК-посредника, и на ее поверхности начинает строиться новая белковая молекула, в точности похожая на первую, потому что «печатаются» они с одной матрицы — с информационной РНК. Какова энергетика этого процесса, как снимается с информационной РНК синтезировавшийся на ее поверхности белок — это пока неизвестно. Но такой синтез — «печатание» идет очень быстро. Каждые несколько секунд одна рибосома изготовляет новую белковую молекулу. Затем синтезированные белок и ДНК снова соединяются, образуя многочисленное потомство. Клеточная ДНК разрушена, энергетические источники исчерпаны — и вновь синтезированные фаги покидают опустошенную клетку.
Так «ожил» фаг в зараженной клетке. Воспользовавшись энергетическими ресурсами клетки и ее «производственными мощностями», фаговая ДНК вызвала синтез инструментов и для изготовления собственных копий, и для формирования фагового белка. Теперь вы понимаете, почему ученые не смогли вначале обнаружить родительские вирусы в зараженной клетке? Просто потому, что их там не было. Потому, что активная форма размножающегося вируса — это его нуклеиновая кислота. Она играет сразу и роль штампа (матрицы) и роль изделия.
Похоже протекает размножение и у других вирусов. Однако эти процессы изучены еще чрезвычайно мало.