Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

Первое знакомство с ДНК

Main page / Живомордность / Первое знакомство с ДНК

Содержание

    2 днк

    С нуклеиновыми кислотами — ДНК и РНК — мы уже пересекались в предыдущих главах. Полные их названия ужасающе неперевариваемые (дезоксирибонуклеиновая кислота и рибонуклеиновая кислота), поэтому мы так и будем в будущем пользоваться только аббревиатурами.

    До сих пор непонятно — что такое «нуклеиновая кислота», почему она так называется и из чего состоит, но это и не удивительно — сначала мы посмотрим на неё как бы сверху, и постепенно начнем углубляться в детали.

    Из этих двух нуклеиновых кислот сейчас и в ближайшее время нас будет интересовать только одна — ДНК. ДНК — это очень и очень длинная молекула. Состоит она из кирпичиков-элементов, которые сами по себе не очень сложны, но и не настолько просты, чтобы сейчас детально их рассматривать. Эти кирпичики-элементы называются нуклеотидами. Когда очень много нуклеотидов выстраивается в цепочку, то так и возникает молекула ДНК. На всех картинках, которые ты видишь тут вокруг, ты видишь две длинных цепочки, соединенных между собою мостиками-связями. Каждая такая цепочка и есть одна молекула ДНК.

    double

    В реальной, живой клетке, молекулы ДНК существуют попарно, объединяясь в длинную закрученную спираль, соединяясь между собой многочисленными связями-мостиками — каждый нуклеотид одной молекулы соединяется с нуклеотидом параллельной ему нити, что хорошо видно на рисунке справа. Такая спираль так и называется «двойной спиралью ДНК», но это слишком длинно произносить, поэтому в разговорном языке всю эту двойную спираль часто и называют тем же самым словом «ДНК». Из контекста обычно понятно — о чем идет речь. На приведенных картинках эта спираль очень схематично изображена — настолько схематично, что нет смысла особенно внимательно сюда вглядываться. Просто посмотри на эту двойную спиральdouble helix [‘dʌbl ‘hiːlɪks] ), и всё.

    Именно эта двойная спираль ДНК и несет в себе наследственную информацию организма. Если вдуматься в эту фразу, становится понятно, что ничего не понятно.

    Как может нечто толщиной в 2,3 нанометра (для сравнения, человеческий волос в 2000 раз толще) содержать в себе подробнейшие инструкции того, как строить каждую клетку организма, как им собираться в органы, как органам складываться в организм, как им всем взаимодействовать и жить? На самом деле малый размер совсем не означает, что информации в нем поместится немного, ведь даже человек за несколько десятилетий уменьшил объем информационных носителей на много порядков (достаточно сравнить первые компьютеры, занимающие целое здание, с мелким ноутбуком, путешествующим со мной по Гималаям), а у природы были миллиарды лет для создания современной ДНК.

    Для записи всей этой информации используются только 4 «буквы». Это не образное выражение, поскольку в молекуле ДНК действительно содержится всего лишь 4 разных нуклеотида. На самом деле этого более чем достаточно, учитывая, что примитивный компьютерный код содержит всего лишь 2 цифры: 0 и 1. И то этого хватает, чтобы записывать огромные объемы информации и помещать их на крошечный носитель. Как именно устроен «язык» нуклеотидов, как именно с помощью последовательности из четырех их видов зашифровывается генетическая информация — об этом шаг за шагом будет написано позднее, а пока что мы просто можем зафиксировать имеющееся: вся наследственная информация живых существ записана в виде очень длинной последовательности четырех видов нуклеотидов, и именно эта последовательность и представляет собою длинную молекулу ДНК. Некоторые очень простые организмы используют для этой же цели молекулу РНК.

    Еще совсем недавно, чуть более 50 лет назад, эти знания были революционными. Тогда ученые предполагали, что наследственная информация содержится в белках, и это неудивительно, ведь куда ни посмотри, везде в клетке натыкаешься на огромное количество разнообразных белков, а нуклеиновые кислоты вообще поначалу ученым почти не попадались — на них просто не обращали особого внимания, отводя им скромную роль клеточного хранилища фосфора ( phosphorus [‘fɔsf(ə)rəs] ), так как один атом фосфора действительно содержится в каждом нуклеотиде. Кроме того, ДНК казалась слишком простой молекулой для того, чтобы нести в себе гигантский объем наследственной информации, в то время как белки представляют из себя несомненно более разнообразно устроенные объекты, ведь число элементарных кирпичиков, из которых они устроены (аминокислоты), достигает 20. Сыграл свою роль и недостаток знаний. Авторитетные в то время труды указывали, что ДНК является длинной цепочкой соединившихся между собой совершенно одинаковых нуклеотидов, и то, что на самом деле есть 4 вида нуклеотидов, узнали уже позже.

    hersheychase1953

    И лишь эксперимент, проведенный в 1952-м году генетиками Алфредом Херши (Alfred Hershey) и Мартой Чейз (Martha Chase), расставил точки над «i» и окончательно доказал, что именно ДНК содержит информацию о строении и функционировании организма.

    Этот эксперимент, который так и получил название «эксперимента Херши-Чейз» ( Hershey–Chase experiment [‘hərshi-ʧeɪs ɪk’sperɪmənt] ) настолько важен и интересен, что здесь хочется его описать.

    То, что существуют вирусы, мы все прекрасно знаем и нередко с ними боремся. Но не только люди, и не только животные и растения иногда страдают от вирусов. Вирусы нападают также и на бактерии. Такие вирусы называются бактериофагами ( bacteriophage [bak’tɪərɪəfeɪdʒ] ).

    Bacteriophage

    Херши и Чейз решили воспользоваться способностью вируса-бактериофага воспроизводиться с помощью бактерии. Несмотря на то, что термин «бактериофаг» буквально переводится как «пожирающий бактерии», на самом деле вирус вовсе не съедает клетку, да ему и нечем. Нет у него ни челюстей, ни желудка, ни пищеварительной системы… у него вообще нет почти ничего, из-за чего его долгое время и считали переходным этапом от неживого к живому. А вот у бактерии есть много чего, и поэтому у них в результате естественного отбора выработались механизмы защиты от вторжения вируса. Но и вирусы быстро эволюционируют, и в том случае, если бактерия после проникновения в неё вируса не может расправиться с чужаком, то вирус захватывает власть над её механизмами воспроизводства и заставляет производить свои собственные бесчисленные копии. Как только они готовы к самостоятельной жизни, клетка с драматическим воплем разрывается, молодые вирусы выходят в свет и начинают искать новую добычу (именно этот момент ты видишь на картинке). Учитывая, что клетка в итоге гибнет, эта неточность в названии вируса для неё вряд ли имеет принципиальное значение.

    Еще не зная, как именно работает механизм воспроизводства себе подобных, и даже не зная, где заключена вся необходимая для этого наследственная информация, ученые видели описанные выше явления, и некоторые из них понимали, что именно тут зарыта собака.

    Клетка бактерии до своей встречи с вирусом знать его не знала и слышать не слыхивала, и жила себе своей порой тихой, порой бурной бактериальной жизнью, производя на свет потомствоprogeny [‘prɔʤənɪ] ) — другие, дочерние бактерии, похожие на неё саму. И уж конечно у нее не было ни желания, ни возможности с какого-то перепугу начать производить вирусы — ничего такого за бактериями не наблюдалось. Однако, стоит лишь бактериофагу прицепиться к ней и что-то впрыснуть в нее, как она переключается на производство вирусов, идентичных присосавшемуся. Очевидно, что именно введенное в клетку вещество и содержит наследственную информацию вируса.

    Бактериофаг T2

    Забежим немного вперед по времени и посмотрим на картинку. Слева видим схематическое изображение того самого вируса, который и был использован в эксперименте, а справа — фотографию этого вируса, прицепившегося к бактерии, в трех последовательных фазах. Как бы ни показалось странным, это именно фотография, а не рисунок, не плод фантазии художника. Вирусы вот именно так необычно и выглядят, больше напоминая персонажей фантастических фильмов, нежели живые организмы. Вся внешняя оболочка вируса построена из белков. Она похожа на капсулу, единственное назначение которой — доставить в сохранности внутреннее содержимое к следующей клетке, в которую его можно впрыснуть, и называется «капсид» ( capsid [‘kapsid] ). На фотографии видно, как вирусы впрыскивают свою ДНК в клетку бактерии, и раз под воздействием этого вещества клетка вдруг начинает строить новые вирусы, значит это и есть носитель наследственной информации. ДНК вирусов изображена на левой картинке в виде длинной спирали в его «голове», а на правой фотографии ДНК видна в виде черного сгустка. Сначала этот сгусток плотный и компактный, затем он распушается и частично заполняет «хвост» вируса, а затем и вовсе исчезает из него, полностью переходя внутрь бактериальной клетки.

    Таких микроскопов, в которые можно было бы просто заглянуть и увидеть, что вирус передает бактерии именно свою ДНК, тогда не было, поэтому ученые пошли другим путем. Вирус состоит всего из двух видов молекул: белков и ДНК. Так что осталось всего лишь определить — что из этого попадает внутрь бактерии при инфицировании, а что остается снаружи. Кажется логичным пометить молекулы белка одним образом, молекулы ДНК — другим, и возникает вопрос: как это сделать? Как нанести отметку не на отдельную клетку (что еще кажется в принципе возможным), а на все однотипные молекулы, из которых состоит вирус? Эту проблему удалось решить только потому, что ни одна наука не существует в вакууме. Кроме достижений собственно генетики, ученые пользовались знаниями из других наук, и здесь им потребовалось совместить генетику, биохимию ( biochemistry [ˌbaɪəu’kemɪstrɪ] ) и физику.

    клетка жрет

    Для построения своего организма любое существо пользуется атомами и молекулами, полученными извне. Каждый атом каждой молекулы каждой клетки твоего организма, за исключением оплодотворенной яйцеклетки, с которой и началась твоя личная история, был поглощен из окружающей среды. Бактерия тоже активно питается, добавляя к полученным от материнского организма веществам все то полезное, до чего она может дотянуться — и молекулы, и отдельные атомы. И если подсунуть ей «меченые» атомы, то ничего не подозревающая бактерия их с удовольствием проглотит и встроит куда-нибудь в свое тело. На этой фотографии как раз показана клеточная стенка бактерии, пойманной в процессе заглатывания чего-то из окружающей среды.

    Вопрос нанесения меток на атомы относится уже к физике, и сейчас нам достаточно знать, что кроме обычных атомов вещества существуют их радиоактивные разновидности. Они испускают некие мелкие частицы, улавливая которые мы как раз и можем сказать, что в таком-то объекте присутствуют радиоактивные атомы. Так что вырастить помеченые радиоактивными атомами бактерии легко, используя их свойство тянуть внутрь все, что рядом лежит.

    И вирус строится в бактериальной клетке, используя атомы и молекулы, уже содержащиеся в ней. Фактически, в зараженной клетке происходит гигантская самоперестройка — бактерия разбирает себя на составные части, как конструктор, и из деталей-атомов и молекул строит вирусы. Поэтому выращенные в меченых клетках бактериофаги будут содержать те же самые радиоактивные атомы, из которых были построены бактериальные органеллы.

    sulfur

    По-разному пометить белки и ДНК оказалось несложно, так как уже было известно, что белки содержат в себе атомы серы ( sulfur [‘sʌlfə] ), а в ДНК их нет. Зато в ДНК есть фосфор, которого нет в белках. Очень удобно.

    Дикая сера настолько красива и необычна, что не получается удержаться от размещения тут фотографии с вулкана на острове Ява. Удивительно, что эта горячая, застывающая причудливыми сталактитами штука является необходимым компонентом любого живого организма.

    Дальше были созданы две группы бактерий. В кормушку первой подсунули радиоактивную серу, а для второй приготовили радиоактивный фосфор. Следуя принципу «я есть то, что я ем», бактерии быстро пропитались радиоактивными атомами. Когда обе группы стали активно излучать радиацию, ученые потерли руки и напустили на них вирусов. Бактерии обеих групп погибли, построив из своего вещества таких же сияющих радиацией бактериофагов: одна группа светилась, как и следовало ожидать, радиоактивной серой, другая — радиоактивным фосфором.

    Отлично, теперь у нас есть две группы вирусов. Первая группа имеет белки с радиоактивной серой, вторая — ДНК с радиоактивным фосфором. Тебе уже примерно понятно — что было сделано дальше? Если нет, то читай.

    Теперь осталось только отдать на растерзание каждой группе меченых вирусов по стае ничего не подозревающих совершенно обычных бактерий. Радиоактивность никак не повлияла на страсть бактериофагов к размножению, и обе группы воспользовались предоставленной возможностью присосаться к бактериям. Содержащие радиоактивную серу в своих белках вирусы инфицировали бактерий, и то же самое со своей группой бактерий сделали вирусы, ДНК которых содержала радиоактивный фосфор.

    После впрыскивания наследственной информации в бактерию вирусы погибают. От них остается лишь оболочка, не подающая больше признаков жизни. Ученые этим и воспользовались. Безжизненные оболочки обоих групп бактериофагов собрали по-отдельности в кучку и посмотрели — а как там дела с радиацией? Есть ли в этих безжизненных остатках что-то радиоактивное?

    Оказалось, что с группой вирусов, у которых белки имели радиоактивную серу, ничего в смысле радиоактивности не изменилось. Их безжизненные остатки по-прежнему показывали наличие радиоактивной серы, но это само по себе ровным счетом ничего не доказывало, ведь это еще не означает, что в бактерию не была впрыснута какая-то небольшая часть белков. Тогда взяли остатки другой группы вирусов и… и оказалось, что радиоактивного фосфора там нет вовсе! Был и сплыл. Точнее — был впрыснут, теперь это уже стало ясным. Так было установлено, что именно молекула ДНК передается вирусом в бактерию, а значит именно она является носителем наследственной информации.

    Приведенная ниже схема лишь повторяет в картинках то, что было только что описано. На этой схеме радиоактивные части вирусов нарисованы красным цветом. В верхней половине рисунка — бактериофаг, содержащий радиоактивный фосфор. У него вирусные остатки остались без радиоактивных частиц (вон он там весь такой черный, не светится), зато зараженные ими бактерии радиоактивным фосфором так и сияли. В нижней половине рисунка — вирус, помеченный радиоактивной серой. После выполнения своей боевой задачи вирус по-прежнему радиоактивно светится, в то время как в бактерии никаких радиоактивных частиц нет, а работа по производству новых вирусов в это время идет без проблем. Отсюда ясно, что белок в передаче наследственной информации никакого участия не принимал.

    радио-вирусы

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    деревоДНК

    Это открытие было, поистине, эпохальным, потому что после него началась эпоха массированного исследования ДНК. Теперь генетикам стало ясно — где лежит главная тайна сохранения и передачи наследственной информации, и не прошло и нескольких месяцев, как Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик с помощью информации, полученной в результате экспериментов Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин, догадались о том, что ДНК имеет вид именно двойной спирали. А дальше… дальше понеслась лавина исследований и открытий.

    Именно такое лавинообразное развитие науки является причиной того, что сейчас сложно осознать, как мало знаний человечество имело жалкие 50 лет назад. А от осознания того, что эта лавина прямо сейчас не то что не останавливается, а наоборот, набирает силу, возникает ясность — я ничего не знаю о будущем генетики и о том, что она привнесет в мою жизнь. Знаю только, что это будет чем-то удивительным, чем-то, что сейчас я и вообразить не могу, потому что в любой момент времени нахожусь в самом начале этого взрыва исследований, знаний, технологий, и через 50 лет сегодняшний уровень развития науки покажется мне таким же простым и наивным, как представление о ДНК как о малозначимом хранилище фосфора 50-летней давности.

    (Авторы статьи: РикаБодх)