ЛАНЦЮГ ЖИТТЯ

«Перші нитки природи майже завжди приховані, ніби в нічній темряві, бо такі тонкі, що не піддаються ні гостроті розуму, ні гостроті зору», — зауважив видатний лікар і природознавець У. Гарвей, який жив років триста тому.

Це та причина, чому розвиток точних наук випередив природознавчі: людина не здогадувалася ставити природні запитання, щоб дістати на них найнасущніші для свого життя відповіді. Простіше було вивести багато цінних сортів рослин та порід тварин, аніж замислитися: а що таке спадковість? Шлях до розкриття цієї таємниці був дуже довгим.

У першій половині XX століття вже не викликало сумніву, що носії інформації про те, якій належить бути живій істоті, містяться у хромосомах, вони ж являють собою сполуку нуклеїнової кислоти й білка. Коли постало питання, хто з цих складників відповідає за спадковість, вибір випав на білок. Надто вже багатофункціональною, всюдисущою була ця речовина — чому б не взяти на себе ще й місію оборонниці життя від зазіхань всемогутнього часу? Так думав навіть класик генетики Микола Кольцов, який першим висловив блискучий здогад: хромосома — це величезна молекула, де всі властивості майбутнього організму визначено порядком чергування складників — амінокислотних залишків. Такий агрегат не може збиратися заново в кожному поколінні: з якого це дива амінокислоти щораз ставатимуть так, як їм належить, визначаючи характеристики людини, квітки чи комахи? Де та сила, яка їх до цього змусить? І Кольцов доходить висновку: «Спадкові молекули» синтезуються матричним шляхом. За матрицю, на якій будується ген наступних поколінь, береться ген покоління попереднього.

То був надзвичайно чітко сформульований принцип передачі спадкових ознак, але... з помилкою у виборі субстрату. 1944 року мікробіологи низкою блискучих експериментів показали: не білок, а дезоксирибонуклеїнова кислота визначає, яким бути живому організму.

Давньоримський поет Горацій радив сказати лиш те, що люди спроможні почути, все інше відкласти на завтра. Для Фрідріха Мішера й Грегора Менделя «завтра» настало майже через сто років...

Та ж як голосно прозвучало тоді мовлене ними слово! Поняття ДНК стало таким звичним, як «нафта», «сталь», «вода»; ця загадкова хімічна речовина надихала поетів і композиторів — модерністи намагалися в її будові шукати таємниці звукової гармонії, астрономи побачили в ній схему будови далеких галактик: мікросвіт і макросвіт зблизилися, демонструючи єдність усього сущого. Фактично вперше людина замислилася на тим, що таке інфо’мація й чому, будучи привязаною до якогось матеріального носія, вона спроможна жити своїм незалежним життям, примножуючись і формуючи дійсність. З чого все те народжується і де межі початкової визначеності та свободи людської волі, наприклад, у вихованні дитини?

Ось перед вами молекула, що складається з окремих частин — нуклеотидів. Щоправда, дуже довга, як згодом виявилося, — до  одного  сантиметра.

Такі молекули називають полімерами. Білок — теж полімер. У пробірці ДНК, як і будь-яка кислота, прореагує з лугом і всім, з чим належить взаємодіяти її «родичам по класу». Завдяки цьому її можна розібрати на компоненти: азотисту основу, до якої під’єднані залишки цукру й фосфорної кислоти. Азотисна основа, своєю чергою, має чотири компоненти: аденін, гуанін, цитозин і тимін, спроможні вступати між собою у реакцію. Замість тиміну може бути урацил. Слова, звичайно, для далекої від науки людини «поганські», але запам’ятати їх варто, бо вони — «на вході» чорного ящика спадковості, а «на виході» — ваша дитина з таким характером, що незрозуміло, «в кого вона вдалася, бо і я ж не такий, і мати інакша». Тут є над чим подумати!

Вчені кінця 40-х минулого століття перебували під враженням книжки од-ного з творців квантової механіки Ервіна Шредингера «Що таке життя? З точки зору фізики». Багато в чому полемічна, не претендуючи на скріплену безперечним авторитетом «істину в кишені», вона була означена тим оригінальним розумом, що, спалахуючи, творить навколо себе планетну систему. Так і сталося: положення про те, що ДНК може виявитися аперіодичним кристалом, покликало в біологію багатьох фізиків, які принесли з собою нові методи дослідження живих систем, зокрема, рентгено-структурний аналіз.

Суть цього методу така.

Якщо молекули в полімері впорядковані — а вони не можуть не бути впорядкованими, божупорядковане все пов’язане з життям, —то рентгенівські промені дадуть на плівці відбитки груп атомів. По них належить розшифрувати, як саме ці атоми розташовані. Коли зважити, що їх дві-три тисячі в полімері, трапляється, й більше, то можна уявити, що то за робота. Білок гемоглобіну— отого самого, що значиться на аналізах крові, — досліджували 25 років. Та «наукова гра» завжди варта спалених «свічок», навіть коли приз дістається після смерті.

Американець Вільям Астбюрі вперше зробив рентгенограму людської волосини. Він дуже любив музику, а тому в нього аж руки тремтіли, коли взявся досліджувати пасмо великого Моцарта. То, за зізнанням ученого, був найщемкіший з його експериментів, бо виявилося, що волосина великого композитора нічим не відрізнялася від тих, які ростуть на головах «простих смертних». Таке, бачте, розчарування!

Та невдовзі Астбюрі збагнув, що без музики тут не обійшлося, точніше, її основи — ритму. Деякі атоми в молекулах ДНК ритмічно повторювалися, і на рентгенограмі при цьому чітко проступали обриси хреста. Щось подібне давали й кристали неживого світу: отже, Шредінгер мав рацію у своєму передбаченні.

Невдовзі стало зрозуміло, чому волосина, попри те, що вона така тонка, напрочуд міцна: це ж спіраль, яка розтягується й пружинить під час великих навантажень. Спіральних структур взагалі багато в біологічних системах; такою, зокрема, є павутина. Це підказало англійському інженеру Джону Брауну ідею підвісних мостів, легких і водночас надійних.

Досліджуючи ДНК, Астбюрі визначив, що в ній стовпчики нуклеотидів розташовані один під одним, та й азотисті основи спаковані, як «стовпчики монет». Він навіть виміряв період, з яким повторюються складники цієї довжелезної молекули.... 1947 року було встановлено, що азотисті основи зв’язуються одна з одною тими ж зв’язками, що і в молекулі води: дуже чіпкими, однак відносно неміцними. Водна — рідина, та коли нагріти її до ста градусів, то стане газом. А біохімік Ервін Чаргофф, який емігрував з фашистської Німеччини і став американським ученим, виявив на диво сталу властивість дезоксирибонуклеїнової кислоти: в ній кількість аденіну завжди дорівнювала кількості тиміну, а гуаміну було стільки, як цитозину (правило Чаргаффа).

Усе вказувало на те, що ДНК подібна до Книги Життя, написаної мовою хімічних речовин.

Моріс Вілкінс, брав участь у створенні атомної бомби, і це, за його власним зізнанням, дуже збавило інтересу до фізику. Вирішив за краще вивчати життя, аніж його нищити: розпочавши нову наукову кар’єру «з нуля», разом зі своєю асистенткою Розалінд Френклін він не лише  поліпшив  методи рентгеноструктурного аналізу, а й знайшов у нетрях ДНК дещо цікаве для біологів. Під його керівництвом працював двадцятидворічний зоолог Джеймс Вотсон, що приїхав до Кембриджського університету вивчати білки. Невдовзі знудився за тією роботою і, «нещадно сачкуючи», як кажуть студенти, почав «придивлятися до світу», аж поки познайомився з галасливим і досить-таки нестерпним у своїй категоричності тридцятип’ятирічним фізиком Френсісом Кріком. Звело їх переконання, що «ДНК— важливіше, аніж білки»; важко сказати, якими критеріями вони при цьому керувалися, окрім гонористого: «інші цього не розуміють — тим гірше для них!»

Маємо достовірне свідчення того, як було зроблено епохальне відкриття — книжку Джеймса Дьюї Вотсона «Подвійна спіраль», яка в 50-х побила рекорди популярності, витримавши конкуренцію з детективами Агати Крісті й Жоржа Сіменова. Таке, до речі, було: в епоху Тараса Шевченка люди зачитувалися науковими книжками Бокля й Молешотта, а пізніше — Дарвіна. Це й тепер дає підстави для оптимізму: так звану попкультуру «кластиме на лопатки» пізнавальна література — інакше б люди не вибралися з первісних печер.

«Подвійна спіраль» — щира розповідь молодої людини про те, як вона утверджувалася: серйозн-працю замасковано іміта цією легковажності, психологічні портрети героїв схожі на дружні шаржі, та й сам автор, за словами одного з рецензентів, здійснив над собою «судово-медичне анатомування», аж ніяк не прагнучи постати перед суспільством в найкращому світлі. Якщо йому вірити, то Моріс Вілкінс не так займався наукою, як конфліктував з Розалінд Френклін, яка допікала йому своїм фемінізмом: їй більше личило б займатися своїми вбранням та зачіскою, аніж критикувати самовпевнених представників іншої статі. Тим часом рентгенограми цієї «нестерпної Розі» (померла від онкохвороби в тридцять шість років, до останнього дня працюючи з повною віддачею) несли рідкісне багатство інформації, а легковажний і дещо навіть цинічний Джеймс не тільки пробився до вічного джерела життя крізь хащі мікросвіту, а й став людиною-легендою, що вплинула на розвиток науки. Ось як це почалося.

Що дезоксирибонуклеїнова кислота має ланцюгову будову, погоджува-лися всі. Однак ланцюгів може бути кілька, обкручених один навколо одного, — скільки ж саме? У лабораторії авторитетного Лайнуса Полінга (Каліфорнійський університет) вва-жали, що 3, однак Вотсона інтригувало число 2. Його здогад своєю простотою і водночас точністю являв собою типове «колумбове яйце»: якщо потрібно двоє, щоб з’явився третій, то причина такого стану речей захована в структурі носія спадковості. Зі свого боку, Френсіс Крік пояснив, чому спіралі живих клітин дають хрестоподібні відбитки.

Постало питання: як розташовані окремі компоненти ДНК? їх азотисті основи спрямовані до центру чи обернені назовні? Полінг дотримувався другого припущення. Розі — звичайно ж, тому, що вона «синя панчоха» з поганим характером — настоювала на першому.

Вчені, які займаються молекулярною біологією, мають обмежені можливості для експериментування: що робити з об’єктом, який і в електронний мікроскоп не дуже роз-дивишся? А тому вони мусять вдаватися до стереохімічних вправ, схожих на дитячу гру в конструктор. Сидить собі дорослий дядько і, зчіплюючи металевими стерженьками пластмасові кульки, що символізують окремі атоми, збирає, як йому здається, просторову модель молекули — такою, якою вона йому уявляється. Тут іншого, окрім проб і помилок, шляху немає: спочатку споруджують якусь струк туру, потім розраховують, яка б вийшла рентгенограма, коли б таке й справді існувало в природі, а не тільки в голові дослідника, потім зіставляють теоретичну модель з відбитком реальної системи...

От у такі «ігри» й бавилися Крік та Вотсон, відштовхуючись від припущення, що ДНК — це два полімерні ланцюги, вкладені один в одний. Яка сила тримає їх укупі? «І раптом я помітив, що пара аденін і тимін, з’є’нана двама водневими звязками, має точнісінько таку ж форму, як і пара гуанінтимін», — згадував Джеймс Вотсон. Отже, однаковий розмір двох складників давав змогу полімерним ланцюжкам утворювати подвійну спіраль: Крік як фізик висловив думку про те, що ланцюжки повинні бути антипаралельними, тобто вигини їхніх спіралей мають протилежний напрямок. Найцікавіше — «причіпки неможливої Розі» виявилися справедливими... На міс’е стало все, понад те, зявилася можливість пояснити раніше незбагненне — як подвоюється конкретний носій спадковості — ген, а відтак і ціла хромосома. Здогадка Вотсона про те, що парність усього пов’язаного зі статтю базується на якійсь конкретній структурі, виявилася надзвичайно плідною. А час усе поставив на місце, відділивши полову молодечої бравади від зерна творчої думки й наукової самовідданості.

«...Ми хочемо запропонувати структуру солі дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Ця структура має нові властивості, які становлять значний біологічний інтерес», — такими словами в квітневому числі журналу («Природа») за 1983 рік розпочиналася стаття Вотсона й Кріка.

Це був завершальний етап величезної роботи багатьох науковців не одного покоління. Найбільша заслуга тих з них, які отримали Нобелівську премію, утому, що, вивчаючи структуру клітинних макромолекул, вони відштовхнулися від їхньої біологічної функції. Тепер цей метод у біології пані вний.

Модель ДНК Кріка й Вотсона вражала гармонійністю: достатньо було досвідченому вченому глянути на неї, щоб зро зуміти, як відбувається передача спадкової інформації. Два обвиті один навколо одного ланцюги: азотисті основи — до середини, фосфорний скелет — назовні. На протилежних нитках азотисті основи утворюють пари: аденін завжди проти тиміну, гуанін проти цитозину, — розташовуючись строго перпендикулярно до осі подвійної спіралі. Ніби гвинтові східці в старовинних замках — оті саме, де один, стоячи на верхній приступці, міг відбитися від десятьох нападників.

Пласкі пари азотистих основ сполучені між собою водневими зв’язками, вони ж дуже специфічні: послідовність аденінтимін-гуанінцитозин в одному ланцюгу неодмінно спрямує послідовність тимін-аденін-цитозин-гуанін в другому. Отже, одна спіраль є матрицею для синтезу другої спіралі: отак природа розв’язала проблему самовідновлення живої системи в часі. Ось чому від дуба народиться дуб, від слимака — слимак, від людини — людина й так далі. З іншого боку, структура ДНК не накладає жодних обмежень на послідовність азотистих основ: схема однакова, але зміст може бути різний: безмежний простір для інформації, що забезпечує неповторність не тільки кожного виду, а й кожної особини.

Модель Кріка й Вотсона просто кидала виклик своєю конкретністю: здавалося, досить спростувати щось одне — і рухне вся струнка споруда.

І почали спростовувати! Насамперед фізики, які подбали про народження цієї біологічної моделі, й спробували її «вбити». Якщо ланцюжки справді з’єднані водневими зв’язками, то при нагріванні вони мають розійтися, а це легко перевірити в пробірці. Розійшлися. На ланцюг Вотсона і ланцюг Кріка, як тепер жартують учені. При охолодженні молекула поновила свою структуру.

Якщо всередині ДНК справді азотисті основи, то вони мають реагувати із специфічними речовинами.  Прореагували!

До чого тільки не вдавалися вчені, але модель проявляла себе такою, якою її уявляли Нобелівські лауреати. Саме така структура як ДНК найкраще опирається ентропії: під ударами молекул теплового руху вона звиватиметься як черв’як, але своєї визначеності не втратить.

...За всього того, ДНК була подібна до розгорну-того папірусного сувою, на якому накреслено якісь письмена.

А письмена належить прочитувати.

Наталя ОКОЛІТЕНКО