В конце прошлого века в Швейцарии работал ученый Мишер.
Он исследовал состав ядер и обнаружил в них большое количество фосфора. Даже сейчас нельзя не удивляться, на каком высоком уровне работал Мишер. Как и всякому биохимику, ему для исследования было нужно много материала. В то время еще не существовали хорошо разработанные методы выделения и очистки клеточных элементов, но Мишер нашел остроумный способ — поместил клетку в желудочный сок. Оболочка и содержимое клетки переваривались, а ядра оставались нетронутыми. Оказалось достаточным их отмыть и материал для исследования был готов.
Чистый препарат ядер, приготовленный Мишером, содержал очень много фосфора. Соединение, богатое фосфором, Мишер назвал нуклеином, поскольку он был выделен из ядер, имеющих латинское название «нуклеус». Это было в 1871 году. Другой исследователь, Альтман, через 18 лет расщепил нуклеин Мишера и показал, что он состоит из белка и сложной органической кислоты, которая и содержала фосфор. Эту кислоту Альтман назвал нуклеиновой. Следовательно, впервые препарат изолированной нуклеиновой кислоты был получен в 1889 году.
Когда ученые окрасили делящуюся клетку, они обнаружили, что нуклеиновая кислота находится в хромосомах. Кстати, именно Мишер впервые показал, что нуклеиновую кислоту можно окрасить некоторыми щелочными красками, получаемыми из каменноугольной смолы.
В то время уже было известно, что число хромосом является важнейшим видовым наследственным признаком, характерным для каждого вида.
Дальнейшее развитие биологической науки поставляло все новые и новые факты, указывающие на уникальные биологические функции нуклеиновых кислот.
В 1928 году бактериолог Гриффитс обнаружил очень интересное явление, связанное с передачей (трансформацией) наследственных признаков у бактерий. Гриффитс изучал разные типы бактериальных клеток пневмококков, которые отличались четким наследственным признаком — наличием оболочки — капсулы. Свойство иметь капсулу у одних видов или не иметь ее у других неизменно передавалось из одного поколения клеток в другое. Гриффитс взял убитые нагреванием капсульные бактериальные клетки и ввел их животным вместе с бескапсульными бактериями. Через некоторое время в потомстве клеток, не имеющих капсулы, появилось некоторое количество бактерий, покрытых капсульной оболочкой. Этот признак могло передавать только какое-то химическое соединение, содержащееся в клетках с капсулами, а не сами убитые клетки.
Природа этого явления была расшифрована в 1944 году Эвери, Мак-Леодом и Маккарти. После исследования природы фактора, передающего бактериям наследственные свойства, они установили, что этим фактором является дезоксирибонуклеиновая кислота, о которой мы довольно подробно говорили выше. Ученые выделили из бактерий ту кислоту, которая обладает наследственным признаком, очистили ее от белка и, добавляя к другим бактериям, обнаружили передачу этого признака.
Открытие явления трансформации генетических признаков у бактерий было серьезнейшим доказательством уникальной роли нуклеиновых кислот в передаче наследственной информации.
С начала 50-х годов и до настоящего времени механизмы бактериальной трансформации усиленно изучаются во многих крупнейших лабораториях мира. Благодаря большой работе удалось получить очень важные факты, указывающие на передачу признаков, связанных с наличием в бактериях — поставщиках трансформирующей ДНК — определенных специфических белков. В этой части исследований биохимикам помогли ученые, занимающиеся генетикой бактерий.
Если некоторое количество бактерий поместить в среду с каким-либо ядом (антибиотиком пенициллином, стрептомицином или с сульфамидными препаратами), то почти все микробные клетки будут убиты, но примерно одна из миллиона клеток окажется устойчивой к действию яда и даст потомство. Это связано с тем, что в такой клетке случайно образовались ферментные системы, способные противостоять действию яда или разрушать его. Если вырастить большое количество таких клеток, выделить из них ДНК и добавить к неустойчивым клеткам, то у них появится признак устойчивости. Мы уже говорили, что все ферменты являются белками. Следовательно, изолированное химическое соединение ДНК передает от одних клеток к другим способность к синтезу специфического белка, то есть само как-то участвует в синтезе этого фермента.
Вот другой пример трансформации бактерий. Путем искусственного отбора (селекции) можно получить штаммы (типы) бактерий, неспособных синтезировать некоторые вещества. Для экспериментов был получен штамм микробов сенной палочки, которые были неспособны синтезировать триптофан и гистидин. Без добавок этих аминокислот в среду бактерии сенной палочки не могли размножаться. Следовательно, в этих бактериях отсутствуют молекулы ДНК, в которых закодирована генетическая информация для синтеза соответствующих белков-ферментов, синтезирующих триптофан и гистидин — триптофансинтетазы и гистидинсинтетазы. Способность к синтезу этих белков передается дефектным бактериям в результате внесения ДНК от штаммов, которые способны синтезировать оба фермента.
Через 8 лет после открытия Эвери, Мак-Леода и Маккарти было обнаружено еще одно важное явление, говорящее в пользу участия ДНК в процессах передачи наследственных признаков (подробнее об этом рассказано в статье «На грани живого и неживого») и синтеза специфического белка. На сей раз главным действующим лицом был вирус, паразитирующий на бактериях — бактериофаг. Как и все вирусы, бактериофаг состоит из белка и нуклеиновой кислоты (ДНК). По форме бактериофаг похож на головастика, только очень маленького — размером до 200 миллимикрон. Форму головастика бактериофагу придает белковая оболочка, имеющая хвост и правильную ромбическую головку. ДНК располагается внутри головки.
Одно время бактериофаг служил объектом интенсивного изучения, так как его предполагалось широко применять при борьбе с микробными заболеваниями. Появившиеся антибиотики вытеснили бактериофаг, как лечебное средство, из врачебной практики, и он был временно забыт. Однако в связи с возросшим интересом исследователей к нуклеиновым кислотам изучение природы действия бактериофага на бактериальные клетки было продолжено. Оказалось, что система бактериофаг — бактерия очень удобна для экспериментов. Бактериофаг, или сокращенно, фаг, очень быстро размножается внутри бактериальных клеток. Самые «медленные» фаги размножаются немногим более часа, а самые «быстрые» успевают проделать цикл размножения за 10—15 минут, давая сотню частиц потомства на одного фага-«родителя».
Таким образом, исследователи получили в руки очень благодатный объект; ведь все процессы, связанные с синтезом фага, то есть и его белка, и его нуклеиновой кислоты, проходят, во-первых, очень быстро и, во-вторых, за определенное время, что дает возможность четко разграничить стадии синтеза.
В результате усиленной работы биохимики установили, что вирусная нуклеиновая кислота, попадая в бактериальную клетку, мобилизует все ее ресурсы для построения новых фаговых частиц. Иначе говоря, генетическая информация, заключенная в нуклеиновой кислоте фага, «заставляет» самих бактерий производить фаги, дает команду, от выполнения которой бактерии отказаться не могут, что и приводит их к гибели.
Это было второе прямое доказательство ведущей роли нуклеиновой кислоты в процессах размножения и синтеза специфического белка.
Как видно, прямые доказательства ученые получили только на уровне организмов, стоящих на нижних ступенях эволюционной лестницы. Однако очень много косвенных данных говорило за то, что именно нуклеиновая кислота принимает основное участие в процессах роста и развития и более высокоорганизованных существ. Естественно, что уже первые указания на такие важные функции нуклеиновых кислот заставили исследователей вплотную заняться изучением их структуры.