Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

Однако журналисты практически проигнорировали это открытие. И если опубликованное несколькими месяцами ранее исследование Миллера было буквально разнесено по различным СМИ, то работе Уотсона, Крика, Франклин и Уилкинса пресса уделила лишь малую толику внимания. Со временем, впрочем, оно все же получило должную оценку: Крик, Уотсон и Уилкинс разделили Нобелевскую премию 1962 года по физиологии и медицине[118]. Франклин же, к сожалению, умерла от рака яичника четырьмя годами ранее, в возрасте тридцати семи лет.
Если обратиться к историческому контексту открытия Уотсона и Крика, то станет понятно: эта идея, можно сказать, витала в воздухе. Оба ученые прислушались к рассуждениям физика Эрвина Шрёдингера[119], который в 1944 году в своей книге “Что такое жизнь?” (What is Life) предположил, что генетическая информация должна храниться в своего рода “апериодическом кристалле”. Имеется в виду кристалл с изменчивой структурой – в противоположность обыкновенному кристаллу, где расположение атомов строго определено: они чередуются в правильном порядке[120]. Аналогично советский ученый Николай Кольцов в 1927 году предположил существование “генетических молекул”, имеющих “две зеркальные цепочки, которые способны копировать себя”[121]. Однако его идеи не получили признания, а сам Кольцов, обличенный Лысенко, был в 1940 году отравлен советскими спецслужбами. Уотсон и Крик скорее всего просто не знали о его трудах[122]. 
Итак, структура ДНК была установлена, и перед биохимиками возникла новая проблема. Им предстояло выяснить, для чего эта молекула нужна в клетке. Что за сообщение содержит в себе последовательность нуклеотидов? Ответ на это дал тот же Крик: это инструкция, необходимая для производства белков, – одних из самых распространенных и важных биологических молекул. Определяя то, какие именно белки нужно синтезировать, ДНК контролирует и внутреннюю жизнь клетки. Мы присмотримся к белкам повнимательнее в главе 7, а пока просто скажем, что белки представляют собой цепочки из аминокислот. Все живое построено из 22[123] аминокислот, однако они объединяются в последовательности длиной в сотни отдельных аминокислотных остатков, примерно как буквы в слове “пневмоноультрамикроскопикосиликовулканокониоз”[124]. Каким-то образом эти четыре основания ДНК кодируют нужную последовательность из аминокислот.
Возникла задача “взломать” этот генетический код[125]. По сути, впрочем, это не одна, а две отдельные задачи: расшифровка находящегося в ДНК послания и выяснение механизмов, с помощью которых это послание используется для синтеза белков. Далеко не все из занятых этими проблемами ученых интересовались еще и зарождением жизни. Зато те, которые интересовались, настороженно следили за развитием событий. Они знали, что теперь им придется объяснять, как впервые возникла система из работающих вместе ДНК и белка.
Каким образом ДНК кодирует последовательность аминокислот в белке? Это несколько напоминает перевод с одного языка на другой, причем каждый из языков пользуется собственным алфавитом. “Алфавит” ДНК состоит из азотистых оснований: ее цепочки как раз и состоят из связанных нуклеотидов. Существует всего четыре основания, которые можно считать своего рода “буквами” ДНК. A – это аденин, C – цитозин, T – тимин и G – гуанин. Однако в “алфавите” белков аминокислотных “букв” уже 22. Требовалось понять, как именно всего четыре буквы “алфавита” ДНК умудряются кодировать все 22 буквы “белкового алфавита”.
Самая простая модель предполагает, что каждое азотистое основание кодирует одну определенную аминокислоту. Но такой вариант совершенно неприемлем, поскольку в этом случае возможно закодировать информацию только о четырех аминокислотах из 22. Напротив, каждую аминокислоту можно представить как короткую последовательность из оснований. Однако какую длину она должна иметь? Пары оснований вроде AC или TG тоже не сгодятся, поскольку таких комбинаций всего 16 (4 умножить на 4), что опять-таки меньше числа аминокислот. Сочетаний из трех азотистых оснований существует уже 64, намного больше, чем требуется, но по-другому представить этот код оказалось невозможно. Идея, что ДНК использует трехбуквенные последовательности (так называемые триплеты), стала предметом долгих дискуссий, но в итоге оказалась правильной.
 
Одним из первых это понял советский физик Георгий Гамов, который больше известен как один из создателей теории Большого Взрыва – концепции начала Вселенной. В 1954 году Гамов выпустил небольшую статью, в которой изложил идею о том, что основания ДНК являются шифром[126]. Он рассматривает белки как “длинные слова, «составленные из алфавита с 20 буквами»”, и задается вопросом о том, как “четырехзначные числа могут быть переведены в форму таких «слов»”.
Позднее Гамов основал эксцентричное общество под названием “Клуб РНКовых галстуков”. Оно было поименовано в честь молекулы-ближайшего родственника ДНК и намеревалось расшифровать генетический код. Членами Клуба стали и Уотсон с Криком – наряду с двадцатью другими людьми, каждому из которых выделялась собственная личная аминокислота и вручался вязаный галстук с изображением молекулы РНК. Значительную часть своих заседаний это общество посвящало “мозговым штурмам”, далеко не всегда происходившим на трезвую голову.
К сожалению, представления Гамова о химических основах процесса оказались неверны. Считая, что белки собираются непосредственно на ДНК, он предположил, что аминокислоты с помощью механизма “ключа и замка” проникают в зазор между нуклеотидами. Однако уже тогда было понятно, что белки не собираются на самой ДНК. Первые данные о том, где именно это происходит, начали поступать еще в 1955 году, когда румынский биолог Джордж Эмиль Паладе заметил крошечные гранулы внутри клеток[127]. Эти гранулы назвали “рибосомы”, и они оказались необычайно сложно устроенными комплексами, включающими в себя как РНК, так и белок. Со временем стало понятно, что именно рибосомы являются местом сборки белков из аминокислот. Для этого необходимо, чтобы соответствующие инструкции оказались определенным образом перенесены от ДНК к расположенным в другом месте рибосомам.
19 сентября 1957 года Крик прочел лекцию в Университетском Колледже Лондона. В следующем году он издал ее под названием “О синтезе белка” (On Protein Synthesis)[128]. Это заглавие отсылает к тезису Дарвина об эволюции и интересно само по себе, даже в отрыве от гениальности идеи Крика[129].
Следуя примеру Гамова, Крик, в общем, не слишком интересовался по-прежнему неизвестной химией синтеза белка, рассматривая вместо этого поток информации как таковой. Он предположил, что информация хранится в ДНК и зашифрована в ее последовательности. Благодаря этому она каким-то образом может быть “переведена на другой язык”, язык аминокислот. Свою идею о переносе информации от ДНК к белку – но не обратно! – Крик назвал “центральной догмой”. Позже он сожалел об этом, потому что “догма” означает нечто, что невозможно подвергать сомнению. Крик признал, что не вполне понимал значение этого слова.
Вдобавок Крик предложил еще и верную последовательность событий при синтезе белка. Вначале некоторый ген копируется с ДНК в форму РНК, которая переносит информацию к рибосоме. Затем рибосома создает сам белок, используя эту РНК-инструкцию. Крик полагал, что аминокислоты собираются непосредственно на РНК-“матрице”. Но каким образом каждая из них узнает, где ей следует оказаться? В качестве решения ученый предположил, что есть особый тип РНК, названный им “адапторная РНК”. Каждая из аминокислот имеет соответствующую ей адапторную РНК, которая присоединяется к РНК-матрице за счет спаривания соответствующих нуклеотидов, почти как в ДНК. В результате аминокислоты образуют цепочку со строго заданной последовательностью.
Удивительно, насколько прозорливым оказался Крик. Примерно тогда же, когда он читал свою лекцию, ученые из Гарвардского университета выделяли ту самую адапторную РНК. Позднее ее стали называть также транспортной[130]. Каждая транспортная РНК представляет собой только одну цепочку, имеющую форму листа клевера. В полном соответствии с предположением Крика оказалось, что различные транспортные РНК переносят разные аминокислоты.