Журнал "Здоровье" №5 (89) 1962

Сокровенные тайны жизни

Член-корреспондент Академии наук СССР профессор А. Н. Белозерский

Рисунки В. Дегтярева

В 1871 году молодой швейцарский физиолог Мишер сделал открытие, которое в то время не было оценено по достоинству. Он обнаружил в ядрах клеток гноя вещество, обладающее кислотными свойствами, и назвал его нуклеином (от латинского слова «нуклеус» — ядро).

С тех пор прошло более девяноста лет. Нуклеины, или, как их стали позже называть, нуклеиновые кислоты, ученые находили не только в ядре, но и в других частях клетки, не только в гное, но и в клетках животных, растений, микробов, вирусов. Чем обширнее становились знания об этих кислотах, тем больше приковывалось к ним внимание ученых всего мира. И не удивительно. Первые же результаты исследований наталкивали на предположение, что нуклеиновые кислоты имеют самое непосредственное отношение к размножению живых организмов.

В последнее десятилетие решение загадки этих удивительных веществ стало одной из центральных проблем современной биологии. Пользуясь новыми точными физико-химическими методами исследования, биохимики изучили строение нуклеиновых кислот, открыли их решающую роль в изменчивости и наследственности живых организмов. Было установлено, что каждый вид организмов — вирусы, бактерии, растения, животные и человек — содержит свои особые, отличные от всех иных нуклеиновые кислоты.

Раньше ученые считали, что такая специфичность характерна только для белков, «строительный материал» которых составляют двадцать аминокислот; их различные сочетания приводят к удивительному разнообразию белков. Но специфичность нуклеиновых кислот оказалась еще поразительней — ведь их «строительный материал» ограничен не двадцатью, а всего лишь четырьмя особого рода химическими «кирпичами» — нуклеотидами.

Во всех живых организмах, от бактерий до человека, ученые обнаружили две сложные формы нуклеиновых кислот, отличающиеся друг от друга химическим составом, структурой, местоположением в клетке и, что самое главное, физиологической ролью в организме. Одна из кислот находится почти исключительно в клеточном ядре и называется дезоксирибонуклеиновой, или сокращенно ДНК. Другую можно обнаружить во всех частях клетки. Это — рибонуклеиновая кислота, или сокращенно РНК.

Обе они действительно содержат всего четыре особых химических вещества — нуклеотида. Но этих, по определенным законам связанных между собой «кирпичей» в молекуле нуклеиновой кислоты иногда насчитывается до 20–25 тысяч. Молекулярный вес таких соединений достигает 6–8 миллионов (молекулярный вес любого вещества ученые условно сравнивают с весом водорода, принятого за единицу; например, молекулярный вес воды равен только 18), а сами молекулы оказываются настолько велики, что становятся видимыми в поле зрения электронного микроскопа.

В свою очередь, каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и фосфорной кислоты. В состав ДНК входят четыре нуклеотида, отличающиеся друг от друга молекулами азотистого основания — аденина, гуанина, цитозина и тимина (или по первым буквам названий их — А, Г, Ц и Т). В дальнейшем мы будем называть нуклеотиды по первым буквам азотистых оснований, которые определяют свойства нуклеотидов. Молекула РНК также строится из четырех нуклеотидов, только место тимина (Т) занимает азотистое основание урацил (У).

Сложные нуклеиновые кислоты обладают высокой биологической активностью; в этом отношении они не уступают белкам. Активность ДНК и РНК может зависеть от количества составляющих их нуклеотидов. В одних ДНК или РНК будет больше нуклеотидов одного вида, в других — другого, и такое различие тотчас скажется на биологических свойствах нуклеиновых кислот.

Однако значительно чаще приходится встречаться с тем, что разные нуклеиновые кислоты построены из одного и того же количества одних и тех же нуклеотидов, а свойства их тем не менее оказываются различными. Чем же тогда, спрашивается, определяется это различие? Ученые выяснили, что нуклеотиды в разных молекулах нуклеиновых кислот могут сочетаться совсем по-разному.

Например, существуют три РНК; в каждой сочетание нуклеотидов вдоль цепи молекулы будет отличаться от остальных. В одной РНК три нуклеотида А, по два Г, Ц и У составят сочетание …А-Г-Ц-Г-У-У-А-Ц…, в другой они же составят …Ц-А-Г-А-У-А-У-Ц-Г…, в третьей — Г-А-А-Ц-У-Г-А-У-Ц… и так далее. Эти вариации сочетаний и обусловливают отличительные признаки одинаковых по весу и химическому составу нуклеиновых кислот.

ДНК и РНК — сложные молекулярные соединения, причем первое обычно в три — четыре раза крупнее второго: в ДНК соединяются 20–25 тысяч нуклеотидов, в РНК — 6–7 тысяч. А недавно ученые раскрыли и строение этих громадных высокомолекулярных соединений.

Оказалось, что молекула ДНК представляет собой две гигантские цепи, закрученные правильными витками вокруг одной общей для обеих цепей оси. В каждой цепи насчитывается по крайней мере 10–12 тысяч нуклеотидов. Особенно существенно, что эти две параллельно идущие цепи связаны (или спарены) между собой своими азотистыми основаниями. Установлено, что друг с другом соединяются азотистые основания только определенных нуклеотидов; аденин может соединяться только с тимином (пара А-Т), гуанин только с цитозином (пара Г-Ц) и, наоборот, — Т-А и Ц-Г.

В РНК шесть тысяч нуклеотидов соединены между собой в одну длинную цепь. В некоторых местах этой цепи могут оказаться небольшие спиральные участки. В случае нарушения закономерной последовательности цепи в каком-либо участке биологические свойства нуклеиновых кислот резко меняются. Так, если в молекуле нуклеиновой кислоты вируса разрыв цепи произойдет только в одном месте, то вирус станет авирулентным, то есть потеряет способность вызывать заражение.

Но изучение состава и строения нуклеиновых кислот, точно так же, как изучение состава и строения любых других компонентов ядра, клетки и тканей живых организмов, никогда не было для ученых самоцелью. Главное — определить роль этих компонентов в важнейших жизненных процессах, научиться ими управлять.

Предположение об участии ДНК в передаче наследственных свойств впервые было высказано после опытов по так называемой бактериальной трансформации. Из активных вирулентных пневмококков, возбудителей пневмонии, имеющих особую оболочку-капсулу, выделили ДНК и ввели ее в питательный раствор, где развивался бескапсульный авирулентный тип пневмококка. Через некоторое время у пневмококков появились капсулы, а также свойство вызывать заболевание. В дальнейшем эти приобретенные свойства пневмококк передавал по наследству из поколения в поколение,

В других опытах ДНК получали из бактерий, устойчивых к пенициллину и стрептомицину, и добавляли её к бактериям, чувствительным к этим антибиотикам. Под влиянием ДНК определенное количество бактерий приобретало, а затем и передавало по наследству устойчивость к пенициллину и к стрептомицину. Так еще раз было доказано, что ответственной за изменчивость микроорганизмов является ДНК.

Большой интерес представляют опыты по синтезу ДНК вне организма. Если в раствор, содержащий типичные для ДНК нуклеотиды, добавить белок-фермент и ничтожное количество самой ДНК, то всегда начинается синтез новых молекул ДНК, и количество ее увеличивается. При этом было установлено, во-первых, что без ДНК синтез не происходит, а, во-вторых, в этих опытах всегда синтезировалась та ДНК, которую вносили в раствор.

Например, добавляя в раствор ДНК туберкулезной палочки, ученые получали новую ДНК, по химической структуре и составу характерную для ДНК туберкулезного микроба. Добавляя ДНК тканей какого-либо животного или растения, ученые всегда получали именно ту ДНК, которую вносили в качестве «затравки».

Так был поставлен один из самых удивительных опытов последнего времени. Трое ученых во Франции — Бенуа, Леруа и Вандрелли — получили ДНК из тканей уток одной породы и ввели ее в кровь уток другой породы, отличающейся от первой окраской клюва и лапок. Потомство уток, которым ввели ДНК, приобрело окраску клюва и лапок, характерную для птиц, у которых была взята ДНК.

К сожалению, этот опыт пока что не удалось повторить ни его авторам, ни другим ученым. В этом нет ничего удивительного. Ведь сегодняшний этап в изучении роли нуклеиновых кислот в организме — самый первый, начальный этап. Каждый год, каждый месяц, каждый день приносит много фактов, раскрывающих новые, ранее неизвестные свойства нуклеиновых кислот.

Неоценимое значение одного из основных свойств ДНК — сохранять и передавать наследственные признаки — заключается в том, что благодаря ему ДНК становится как бы законодателем для белков. А ведь именно белки являются носителями жизни, строительным материалом организма. Поэтому так важно сохранить постоянными их строение и свойства. И в этом отношении весьма интересны работы по изучению рибонуклеиновой кислоты.

Физиологическая роль рибонуклеиновой кислоты начинает вырисовываться в самое последнее время. Давно уже было замечено, что количество РНК в клетках разных тканей неодинаково. В больших количествах она обычно накапливается в тех клетках и тканях организма, для которых характерна большая активность в процессах роста и размножения, то есть процессах, сопровождающихся интенсивным синтезом белка. Например, РНК очень много в поджелудочной железе, где образуется ряд белковых ферментов, в том числе инсулин, в гипофизе — железе внутренней секреции, которая выделяет в кровь ряд жизненно важных белковых гормонов. РНК много и в шелкоотделительной железе шелкопряда, а ее единственное назначение — образование шелка — белка. РНК всегда много там, где синтез белка осуществляется в больших масштабах. Такие же органы, как, например, мышцы, почки, которые обладают большой физиологической активностью, но характеризуются незначительным синтезом белка, содержат мало РНК.

Все это позволило ученым предположить, что РНК связана с синтезом белка. И действительно, ряд экспериментов показал, что если тем или иным способом нарушить целостность РНК в клетке, то тут же нарушается и синтез белка. Совершенно естественно задать вопрос: «Если РНК столь необходима для синтеза белка, то какое участие она принимает в этом сложном процессе?»

Ученые предполагают, что в синтезе белка взаимосвязаны ДНК, РНК, белки и белковые ферменты. В строении нуклеиновых кислот, в расположении их нуклеотидов заложена определенная химическая структура. Строение и значение отдельных участков молекулы этих кислот неодинаковы и неравноценны. Каждый участок «собирает» на себя только определенные аминокислоты и таким образом определяет строение вновь синтезируемых белковых молекул. Как правило, структурные особенности передаются с ДНК на РНК, а с РНК — на белки. Но белки, или, более точно, белковые ферменты, в свою очередь оказывают определенное влияние на воспроизводство ДНК и РНК.

После того как появилась гипотеза об участии РНК в синтезе белка, над раскрытием этой важнейшей проблемы современности стали работать ученые во всех странах мира. И появилась уверенность, что не за горами то время, когда важнейшая проблема естествознания — проблема синтеза белка — будет решена.

В самом деле, ученые в последние месяцы сделали весьма существенные открытия. Оказалось, что в молекуле нуклеиновых кислот вдоль их цепочки действительно существуют определенные участки, управляющие расположением также определенных аминокислот. Выло установлено, что каждый такой участок в цепи, определяющий место аминокислоты в молекуле белка, состоит из трех нуклеотидов (так называемый триплетный код). Таким образом, эти открытия приблизили нас к познанию механизма важнейшего жизненного процесса — синтеза белка.

Совершенно очевидно, что раскрывая тайны строения нуклеиновых кислот и их значение в важнейших жизненных процессах, ученые не только решат ряд кардинальнейших вопросов биологии, но и откроют новые пути для многих областей практической медицины. Так, правильное понимание роли нуклеиновых кислот существенно скажется в решении проблемы рака — ведь ДНК и РНК, как показали исследования последних лет, играют весьма существенную роль в процессах роста злокачественных опухолей. Сейчас в лабораториях ведутся интереснейшие опыты, в которых ученые пытаются приостановить рост злокачественных опухолей путем включения в нуклеотиды нуклеиновых кислот раковой клетки определенных химических веществ.

На основе тщательного изучения природы вирусов, у которых нуклеиновые кислоты составляют основу их структуры, будут разработаны эффективные методы лечения и профилактики вирусных инфекций. Решение проблемы нуклеиновых кислот обязательно скажется и на разработке методов борьбы с лучевым поражением. В самое последнее время проведены эксперименты, результаты которых позволяют надеяться, что если ученые до конца раскроют тайны нуклеиновых кислот, то они смогут управлять наследственностью и изменчивостью живых организмов, в первую очередь микроорганизмов — бактерий, вирусов и т. д. А это путь к созданию более эффективных лекарственных средств, усилению уже существующих, например антибиотиков, к разработке новых мёр предупреждения инфекционных заболеваний.

В ЛАБОРАТОРИИ ГЕНЕТИКИ

У бактерий — врагов здоровья человека — есть свои враги — бактериофаги — бактериальные вирусы. Бактериофаг содержит нуклеиновую кислоту — и белки, в частности ферменты, растворяющие стенки бактерий. Нуклеиновая кислота «отвечает» за размножение и сохранение наследственных свойств фага.

Но прежде чем бактериальная клетка будет уничтожена, нуклеиновая кислота фага должна проникнуть в нее. Ферменты (ученые условно называют их лизинами) и есть те «саперы», которые «прогрызают» отверстие в бактериальной оболочке. Как только нуклеиновые кислоты проникают в бактериальную клетку, она обречена на гибель.

Исследования, проведенные в лаборатории, руководимой профессорами В. Д. Тимаковым и Д. М. Гольдфарбом, показали также, что ферменты фага могут сами растворять бактериальные клетки. Более того, действие ферментов оказалось в несколько раз эффективнее противомикробного действия целого, неразрушенного бактериофага.

Это было доказано в таких опытах. Фаг разрушали — вначале его замораживали при низких температурах, затем после дополнительной обработки центрифугировали; в результате в растворе оставались лишь лизины. Концентрированные растворы (их получали из 10 триллионов частиц фага в одном кубическом миллилитре) испытывались в опытах с бактериями.

В одних сосудах бактерии смешивались с неразрушенным фагом, в других — с раствором лизина. Через час на специальном приборе измеряли количество оставшихся жизнеспособных бактерий. В сосудах с лизином их было в несколько раз меньше, чем в сосудах с целым, неразрушенным фагом.

Каково значение этих опытов для практической медицины? Исчерпывающе ответить на этот вопрос сегодня еще трудно. Но есть основание полагать, что, добавляя лизины к лекарственным препаратам, удастся усилить их действие. Есть и более заманчивая перспектива. Бактериофаг всегда специфичен, то есть он всегда действует только на «свои» бактерии: брюшнотифозный фаг на бактерии брюшного тифа, дизентерийный — на бактерии дизентерии и так далее. Если же удастся получить универсальный лизин. — а эта проблема и стоит сейчас в центре внимания ученых, — то задача борьбы с кишечными инфекциями будет в значительной степени решена.

Но ученые стараются реабилитировать фаг не только ради его лечебных возможностей. Фаг — идеальная модель для изучения взаимодействия двух систем — клетки и вируса. И что, пожалуй, самое главное: исследуя фаг, можно проникнуть в секреты наследственности и изменчивости микроорганизмов, а от них перекинуть мост и к организмам более сложным. Это одна из интереснейших и многообещающих задач современной биологии, над которой работают ученые всего мира. Многое в этом направлении сделано и в лаборатории генетики микроорганизмов и бактериофага.

Точно установлено, что процесс наследственности и изменчивости живых организмов связан с существованием в клетках так называемой дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Сотрудники лаборатории это теоретическое положение изучают на фаге.

…Фаг снова разорвали на части. Только на сей раз ученые, разрушая белки, сохраняли ДНК, которую затем вводили в тело бактерий. Через определенное время внутри бактериальной клетки образовывался тот же самый вид фага, из которого была выделена ДНК.

Другими опытами эта роль ДНК в передаче наследственных признаков была доказана и для бактерий. А коль скоро наследственность, то есть, в данном случае, воссоздание одного и того же вида бактерий, зависит от ДНК этих бактерий, то нельзя ли, спросили ученые, изменив каким-либо способом структуру ДНК, получить новые ценные свойства бактерий?

Сотрудникам лаборатории удалось нарушить нормальное течение синтеза ДНК, заменить одно из азотистых оснований почти аналогичным, но все же иным химическим соединением, так называемым 5-бромурацилом. В результате вновь полученные бактерии, сохраняя внешнее сходство с материнскими клетками, приобрели новые наследственные свойства. Опыт производился с паратифозными бактериями. Они оказались более чувствительными, то есть менее стойкими к действию радиоактивного облучения, и устойчивыми к стрептомицину, а также стали менее вирулентными. Чтобы вызвать заболевание у животного новыми паратифозными бактериями, ему надо было ввести их в гораздо большем количестве, чем бактерий обычных, на которые не действовали 5-бромурацилом.

То, что ДНК, свойствами которой определяются наследственность, изменчивость, рост и размножение живого на земле, в свою очередь зависит от внешних влияний — доказано. Но как протекают все процессы в молекуле ДНК? Почему те или иные нарушения в ее структуре вызывают определенные изменения свойств вновь образующихся организмов? Раскрыть таинственные механизмы этих явлений, познать сущность процессов наследственности, изменчивости, роста и размножения — значит получить возможность управлять ими. Этой увлекательной, а вместе с тем исключительно сложной проблемой и занимается коллектив лаборатории генетики микроорганизмов и — бактериофага.

М. Хромченко