Химический шифр наследственности

Химический шифр наследственности

Если вам когда-нибудь скажут, что у кошки вместо котят родились щенята, а у лошади — слоненок, вы улыбнетесь и, конечно, не поверите такому чуду. И будете правы. Жизнь приучила нас к тому, что орел — от орла, а не от страуса. Ио не часто мы задаем себе вопрос: а почему это происходит? Почему мирная зебра или хищный тигр обязательно вырастут полосатыми — точь-в-точь как их родители? Почему десятки признаков отца и матери стойко передаются из поколения в поколение — от детей к внукам, от внуков к правнукам? Как может такое множество наследственных признаков уместиться в крохотной половой клетке и каким образом эта клетка определяет все дальнейшее развитие организма на десятки лет?

Так начал свою беседу с нами крупнейший специалист в области органической химии академик Иван Людвигович Кнунянц. Он известен многими интереснейшими исследованиями. Он открыл, например, целый ряд химических превращений веществ, который привел к синтезу витамина В₁ и антималярийных препаратов, предложил промышленности оригинальные методы получения искусственного волокна — капрона, лекарства и красителя — акрихина, получил фоточувствительные красители, открыл закономерность между строением вещества и его цветом, широко обследовал фтористые соединения и др. Круг интересов ученого очень широк, и все же для нас было неожиданностью, когда он обратился к самой загадочной проблеме биологии — к наследственности.

— Вы удивлены? — заметил Иван Людвигович. — Но кто же, как не химики, расшифрует таинственные письмена наследственности, скрытые в недрах клетки и ее ядра? Кто без помощи химиков сможет расшифровать код наследственности и детально исследовать весь ее внутренний биохимический механизм?

Первым ученым, заявившим, что наследственность — свойство материи и что надо искать в организме вещество, которое является носителем наследственности, был французский ботаник Шарль Нодэн, пытавшийся провести целый ряд экспериментов еще в 1856 году. В представлениях Нодэна было много наивного, ошибочного, но в главном своем — материалистическом — выводе, хотя с тех пор прошел целый век, он и сегодня стоит на голову выше тех современных ученых-идеалистов, которые все сложное и непознанное объясняют «волей божества». Ведь ровно сто лет спустя после Нодэна, в 1956 году, известный австралийский генетик вирусолог Л. Хойл пришел к выводу: «Между живыми клетками и неживой материей лежит бездна, и наиболее приемлемым для нас мостом через эту бездну может служить только «акт творения».

Сегодня биологи уже твердо установили, что наследственность определяется сложным ядром клетки, хромосомами, которые передают наследственные признаки и по мужской и по женской линии.

Тот факт, что наследственные признаки сосредоточиваются в ядре клетки, еще раз блестяще подтвержден известным советским биологом членом-корреспондентом Академии наук СССР Б. Л. Астауровым. Он проделал такой опыт. Направив мощный поток рентгеновских лучей на женскую яйцеклетку шелкопряда, он разрушил полностью ядро клетки. Затем ввел в эту клетку два ядра от двух мужских половых клеток, которые слились между собой и образовали новое, «мужское» ядро в женской клетке. Многочисленное здоровое потомство, полученное от этой клетки, повторяло все признаки отца и только отца, было как бы его биологической копией.

Ну, а какое же из химических веществ внутри ядра клетки является носителем наследственных свойств? Может быть, белок? Или сочетание ряда веществ в их комплексе?

Ответ на этот вопрос ученым дали, как всегда в затруднительных случаях, опыты.

Простейший вирус, вирус болезни табачной мозаики, состоящий из нуклеиновой кислоты и белка, разделили на эти две составные части. Оказалось, что белок (всемогущий белок!) не смог заразить табак болезнью, а нуклеиновая кислота даже без белка сохранила эту способность и неожиданно для всех проявила себя как носитель наследственных свойств всего вируса.

Казалось бы, все стало ясно: если носитель наследственности — не белок, то им может быть только нуклеиновая кислота и ничто другое. Ведь все хромосомы состоят из двух основных веществ — нуклеиновых кислот и белков.

Еще 15–20 лет назад химическое строение нуклеиновых кислот было изучено слабо. Их существует всего две — дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ее называют ДНК) и рибозонуклеиновая кислота (РНК). Одна встречается только в ядрах клеток, другая же в основном — в протоплазме. Обе они считались очень простыми, состоящими из большого количества совершенно одинаковых стандартных групп атомов.

Но наследственные факторы настолько разнообразны, что примитивные, как казалось, нуклеиновые кислоты не могли быть их материальными носителями, поэтому вслед за белками были «забракованы» и нуклеиновые кислоты. Поиски материальных носителей наследственности зашли в тупик.

Дальнейшие исследования опрокинули гипотезу об однообразии и простоте строения нуклеиновых кислот. Опыты убеждали, что молекулы ДНК устроены очень сложно. Однообразные группировки атомов в них не повторяются систематически, а расположены неравномерно. Оказалось, что ДНК, выделенные из клеток растений, рыб, птиц, человека, имеют существенные различия. Каждый биологический вид имеет свою формулу ДНК. Можно себе представить, сколько всего существует разновидностей этого вещества.

Для ДНК началась «полоса признаний», и ныне большинство ученых— и в СССР, и за рубежом — убедились на фактах, что ДНК-это и есть материальная основа наследственности. Молекулы ДНК в организме способны к репродукции, к самовоспроизведению. Они воспроизводят подобные себе молекулы, ведут обмен веществ и не очень легко изменяются под воздействием внешних факторов.

Но, конечно, я должен отметить, что у нас некоторые ученые еще не разделяют точку зрения на решающую роль ДНК в наследственности организмов, но так или иначе и у нас и во всем мире началось методическое исследование молекул ДНК, их химического строения.

Эта проблема сейчас находится примерно в таком же состоянии, в каком лет пятнадцать назад была таинственная проблема белка. Мы тогда знали строение сложных белков и не знали, как подойти к их исследованию. Знали только, что белок построен из звеньев — всего 20 видов аминокислот, — но порядок сцепления, их последовательность установить не могли.

А сейчас… Сейчас химики не только умеют распознавать строение белка. Они научились нанизывать аминокислоты друг на друга и, таким образом, уже осуществили синтез простейших белков.

Почему я заговорил о белках? Во-первых, потому, что белки — это, пожалуй, единственные соседи ДНК, живущие с ними в одной квартире — хромосоме, причем нрав их нам уже хорошо известен.

Во-вторых, строение молекулы ДНК можно раскрыть, последовательно отщепляя от нее по одной группе атомов, — так же, как это было сделано с белками. Элементарные звенья ДНК мы уже знаем. В них входят сахар (рибоза), фосфорная кислота и четыре другие группы атомов.

В-третьих, белки подсказывают нам пути, которыми можно синтезировать ДНК. Узнав последовательность сцепления молекул и звеньев ДНК, мы в конце концов научимся синтезировать материальные носители определенных наследственных признаков, то есть по своему усмотрению сможем управлять развитием организмов, создавать не только новые качества, но и новые организмы. Это колоссальная задача. Из рук биологов она уже переходит в руки физиков и химиков.

Астрологи в древности пытались предсказывать судьбу человека, изучая взаимное положение звезд и светил. Это, конечно, был самообман, мистика. Иное дело — изучение структуры ДНК. От того, каким образом в молекуле ДНК расположены атомы и звенья атомов, зависят, например, цвет волос, рост и другие качества будущего ребенка. Если порядок сцепления этих групп нарушился, происходят различные нарушения обмена веществ, организм заболевает. Например, ученые считают, что раковые заболевания — это результат нарушения и изменения строения молекул ДНК. Та же причина — распад и изменение строения ДНК в результате атомного облучения — порождает страшную и пока трудно излечимую лучевую болезнь. Вот, оказывается, к лечению каких тяжелых заболеваний может привести исследование ДНК.

Что даст нам практически знание строения и синтез ДНК?

Еще два года назад мы только надеялись, что лет через 10–15 удастся синтезировать хотя бы куски, фрагменты ДНК. Но жизнь опередила эти планы… Уже в 1960 году американцу Корнбергу и японцу Очоа удалось получить настоящие высокомолекулярные ДНК, подобные природным. Они смешали четыре основных фрагмента, определенную комбинацию которых обычно представляет собой природная ДНК. Прибавили фермент-катализатор. Но соединения фрагментов не произошло. И только когда внесли «штамп» — природную молекулу ДНК, эти фрагменты моментально начали соединяться и образовывать новые молекулы, в точности подобные внесенной. Так ученые подтвердили давно сделанное предположение о механизме самого важного биологического процесса — удвоения структур в организме.

Как известно, ДНК является своеобразным штампом, определяющим характер белков, синтезируемых организмом. В равной мере это касается и белков-ферментов, белков-катализаторов, регулирующих весь обмен веществ в организме. Среди этих процессов обмена имеются очень важные, в частности, в воспроизведении которых заинтересована химическая промышленность.

Синтез ДНК даст возможность синтезировать многие органические вещества.

Процессы под действием присущих организмам ферментов-катализаторов будут идти в десятки миллионов раз быстрее, чем сейчас с обычными катализаторами. Химическая промышленность перейдет на большие скорости, резко поднимет производительность.

Есть процессы, которые без катализаторов вообще не идут или протекают очень слабо. Приходится тратить массу топлива, электрической энергии, чтобы добиться выхода нужного количества продуктов. И дело не только в экономии топлива и электроэнергии. Быстро изнашивается и требует обновления оборудование — этот основной капитал любого производства. Ферменты-катализаторы помогают получать столько продукции, что основной капитал быстро окупается. А раз так, значит, можно вместо старых машин и аппаратов поставить новые, более совершенные и производительные. Видите, как чисто научные, казалось бы, исследования ДНК могут поднять производство, химическую промышленность.

Далее, ДНК со временем можно будет синтезировать в колбе и, пересаживая ее в орган или организм, добиваться в нем нужных изменений. Разве это не заманчиво для сельского хозяйства? Сделать кабачок слаще сахарной дыни, увеличить рост, размеры животных так, чтобы качество их мяса не ухудшилось, а, наоборот, улучшилось.

Опыты помогут составить четкие таблицы, по которым со временем практики сельского хозяйства будут быстро ориентироваться и узнают, сколько граммов или миллиграммов определенного вида ДНК надо ввести в организм, куда именно и что это даст. Регулирование веса, упитанности, роста, цвета, «характера» и прочее можно будет осуществлять, «сооружая» организм по «проекту», составленному заранее комбинированием ДНК родителей. А уже потом, когда «вчерне» «организм» будет готов, можно закончить его «отделку». Животное еще молодо и поэтому особенно быстро и легко поддается «формированию». Воздействие ДНК в этот период, применяемое комбинированно с другими методами, поможет вывести идеальные породы животных.

А пока в поднятии животноводства большую роль может сыграть тот факт, что в оплодотворенной клетке заложен весь «план» будущего развития организма.

Совсем недавно учеными был поставлен удивительный эксперимент. Перед ними возникла задача — быстро размножить поголовье новой породы баранов. На плаценте самки они приживили не одну оплодотворенную клетку, а тридцать. Десятки зародышей! Но ведь овца не сможет вырастить столько! Хирургически удалили все лишние оплодотворенные яйцеклетки и пересадили их в непородистых овец. Но появилось лишь чисто породистое потомство! Так как все признаки породистых овец уже были заложены.

ДНК — это вещество, в недрах которого скрывается, видимо, тайна рака — страшного заболевания, пока практически неизлечимого. Можно предположить, что «типовые» молекулы ДНК служат как бы штампами, которые перестраивают все попадающие в организм белки строго по своему подобию. Этими белками заселяется весь организм. Взамен «изношенных» молекул прибывают точно такие же новые. Можно уподобить организм высокоорганизованному автоматическому производству, которое само перерабатывает сырье, снабжает энергией и материалами — полуфабрикатами все органы, ткани и клетки и даже обновляет «оборудование» в своих «цехах».

Но если в эту стройную систему вносится разлад, если один из «биологических штампов» деформируется и по какой-либо причине начинает «штамповать» детали другой формы, организм бессилен сопротивляться. Его заполняют неспособные к нормальной жизнедеятельности молекулы ДНК. Они образуют целые сборища, которые дают опухоли. Подобного же рода многочисленные разлады постепенно накапливаются по мере жизни данного организма. Каждый из этих разладов не столь серьезен, чтобы организм погиб, как, например, от рака. Однако накопление изменений ведет к тому, что мы называем старостью. Чем помочь организму? Как заставить ДНК вернуться к первоначальной форме?

Пройдет несколько лет, люди узнают и эту тайну природы. И жизнь человека будет продлена во много раз. Те, что родятся в самом начале XXI века, бесспорно, перейдут в XXII век еще далеко не бессильными стариками.