Текст книги "100 великих научных открытий"

ДНК и РНК

Во второй половине XIX в. биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, сформулированные Г. Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 г. молодой швейцарский врач Фридрих Мишер приехал в университет немецкого города Тюбинген, чтобы заняться научной работой и узнать, из каких веществ состоит клетка. Экспериментируя с лейкоцитами, которые легко добываются из гноя, Фридрих отделил ядро от протоплазмы, белков и жиров и обнаружил соединение с большим содержанием фосфора. Эту молекулу он назвал нуклеином – от латинского «нуклеус» (ядро).

Открытое соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин «нуклеиновая кислота», а приставка «дезоксирибо-» призвана была сообщать, что молекула содержит водородные группы и сахара. Впоследствии ученые выяснили, что на самом деле это соль, но название решили не менять.

Вскоре стало известно, что нуклеин содержится в хромосомах – компактных структурах, которые возникают в делящихся клетках, – и представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), каждое звено которого сложено четырьмя азотистыми основаниями: аденином, тимином, гуанином и цитозином.

Однако роль дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) долгое время оставалась загадкой. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери (1877—1955), опытным путем доказавший, что посредством ДНК генетический материал передается от бактерии к бактерии. Ученые поняли – ДНК нужно изучать. Но как?

Одним из тех, кто заинтересовался этой проблемой, был американский биолог Джеймс Уотсон (р. 1928). Желая исследовать природу гена как можно лучше, он поехал в Европу и на конференции узнал, что британские физики изучают строение молекулы ДНК с помощью рентгена. Направившись в Англию, Уотсон устроился в Кавендишскую лабораторию и там познакомился с физиком Френсисом Криком (1916—2004). Крик увлекся биологией благодаря книге Э. Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики», где высказывалось предположение, что хромосома похожа на кристалл, а «размножение» генов напоминает рост кристалла.

В кристалле одна и та же группа атомов повторяется множество раз, а значит, молекула ДНК, непосредственно связанная с геном, должна иметь подобную структуру, – подумали Уотсон и Крик и обратились за помощью к коллегам: физикам Морису Уилкинсу и Розалинде Франклин.

Проведя рентгеноструктурный анализ ДНК, Уилкинс и Франклин обнаружили, что эта молекула представляет собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Тогда Уотсон и Крик решили исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот и определили, что те бывают двух типов – дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Обе кислоты состоят из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), тимина (Т) в ДНК и урацила в РНК. Однако в нуклеотид ДНК входит углевод дезоксирибоза, в то время как в нуклеотид РНК – рибоза, у которой, в отличие от дезоксирибозы, есть «лишняя» водородная группа. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты и в феврале 1953 г. сделали доклад о структуре ДНК. А месяцем позже создали трехмерную модель молекулы из шариков, кусочков картона и проволоки.

Согласно модели Крика—Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозы фосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. По Уотсону и Крику, две части молекулы разъединяются в местах водородных связей, что напоминает расстегивание «молнии», и из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая ДНК. Матрицей, образцом для образования молекул служит последовательность оснований. Достаточно «размотать» косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивался с Т, а Г – с Ц. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики. В то же время этот «кристалл» может содержать самые разнообразные сочетания А, Т, Ц, Г, поэтому все гены разные.

Модель Уотсона и Крика объяснила четыре главные функции ДНК: репликацию (копирование) генетического материала, наделение его специфическими чертами, хранение информации в молекуле и ее способность мутировать.

25 апреля 1953 г. ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature, а через 10 лет разделили с Уилкинсом Нобелевскую премию по биологии. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

«Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как в физике – открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК – к рождению новой, молекулярной биологии», – пишет М. Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, автор книги «Самая главная молекула».

Изучение структуры и биохимии ДНК способствовало созданию методики модификации генома и клонирования. В 1969 г. ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 г. – искусственный ген. В 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 г. впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства, а также для установления личности преступника.

Очевидно, в будущем ученые научатся клонировать органы человека, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания.

Генетический код

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. И почему дети – идет ли речь о людях, животных, растениях или микроорганизмах – похожи на своих родителей, бабушек, дедушек, дальних родственников?..

После открытия ДНК – молекулы, которая содержит инструкции для производства белков, выполняющих всю основную работу в клетке, – ученым захотелось выяснить подробности процесса копирования и переноса наследственной информации из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка. Уже было известно, что белки – это полимеры, состоящие из повторяющихся наборов (последовательностей) 20 аминокислот. Все виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными последовательностями аминокислот. Ученые догадывались, что эти последовательности задаются генами – базовыми «кирпичиками» жизни. Но что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес один из авторов теории Большого взрыва, физик Георгий Гамов – сотрудник Университета Джорджа Вашингтона. Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предположил, что ген – это определенный участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев-нуклеотидов.

В каждой такой последовательности заключена наследственная информация. Наименьшей ее единицей после нуклеотида являются три соседствующих нуклеотида – триплет. Расположенные один за другим триплеты и составляют ген. Поскольку каждый нуклеотид – это одно из четырех азотистых оснований (аденин – А, гуанин – Г, цитозин – Ц, тимин – Т), нужно было выяснить, как четыре элемента могут кодировать 20 аминокислот. В этом и состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х ученые установили, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах – своего рода «фабриках» внутри клетки. Приступая к синтезу белка, фермент приближается к матрице ДНК, распознает информацию, закодированную чередованием нуклеотидов на определенном участке цепи, и синтезирует копию гена в виде маленькой одноцепочечной РНК (ее называют матричной, или мРНК от англ. messenger – переносчик, посланник). Это процесс транскрипции. На следующем этапе мРНК переносит информацию из ядра в цитоплазму, к рибосоме – важнейшей органелле клетки, где синтезируется белок. Внутри рибосомы к кодонам мРНК по принципу комплементарности присоединяются антикодоны транспортной РНК. Рибосома соединяет между собой аминокислоты, принесенные тРНК, пептидной связью – сцепляя α-аминогруппу (-NH₂) одной аминокислоты и α-карбоксильную группу (-СООН) другой. Получается белок. Это – трансляция. Первичная структура определяет не только способ формирования молекулы белка, но и ее ферментативную, структурную либо регуляторную функцию.

То, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида, Фрэнсис Крик выяснил в ходе экспериментов с вирусом фаг Т4. Триплет – единица кода – получила название «кодон». Оставалось понять, как действует шифр.

Сделать это удалось ученым М. Ниренбергу и Г. Маттеи, которые искусственно получили (синтезировали) РНК, состоящую из многократно повторяющегося урацила (поли-У), и использовали ее в качестве мРНК. В каждой из 20 пробирок ученые соединили бесклеточный экстракт Е. coli, содержавший все необходимые компоненты для синтеза белка (рибосомы, тРНК, АТФ и прочие ферменты), поли-У и одну из известных аминокислот. Анализ содержимого пробирок показал, что полипептид образовался только в том сосуде, который содержал аминокислоту фенилаланин.

Так было доказано, что кодон УУУ, входящий в мРНК, шифрует аминокислоту фенилаланин. Аналогичные опыты показали, что триплет ЦЦЦ кодирует аминокислоту пролин, а триплет ААА – лизин. Это открытие стало первым шагом к расшифровке генетического кода.

На основании же дальнейших исследований сформировались его основные свойства:

1. Генетический код триплетен: каждый из 64 кодонов представляет собой три нуклеотида и кодирует, то есть шифрует, только одну аминокислоту.

2. Генетический код является вырожденным: каждая аминокислота может шифроваться более чем одним кодоном. Происходит так из-за того, что у кодонов, определяющих одну и ту же аминокислоту, первые два основания фиксированные, а третье «плавает» и может заменяться другим основанием. Лишь метионин и триптофан кодируются всего одним триплетом. Кодон, соответствующий метионину (АУГ), отвечает за считывание и не кодирует аминокислоту, если стоит в начале цепи ДНК. Триплеты УАГ, УАА, УГА вообще не кодируют аминокислот, потому называются бессмысленными, или нонсенс-кодонами.

3. Генетический код неперекрываем – один и тот же нуклеотид не может входить в два рядом стоящих триплета одновременно.

4. Генетический код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех живых существ на Земле независимо от уровня их организации.

В 1961 г. Ниренберг и Маттеи впервые доложили о своих результатах на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967 г. генетический код полностью расшифровали.

Открытие структуры ДНК и генетического кода переориентировало биологические исследования. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. А недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил заметно продвинуть вперед генную инженерию.

Условные рефлексы

Начало развитию науки о высшей нервной деятельности положил Иван Павлов – выдающийся врач, физиолог и ученый, который открыл условный рефлекс.

Процессами, протекающими в человеческом мозгу, и, в частности, рефлексами Павлов заинтересовался в 1869 г., когда еще учился в рязанской духовной семинарии. Однажды в руки ему попала книга профессора И. Сеченова «Рефлексы головного мозга», и оттуда Павлов узнал, что все происходящее в организме сводится к рефлексам. Как пояснял автор, нервные пути рефлекса образуют рефлекторную дугу, которая состоит из чувствительной ветви, передающей в мозг сигналы от органов чувств, и двигательной ветви, отходящей от мозга и идущей к «рабочим органам» – мышцам и железам. Загоревшись желанием изучить эту теорию глубже, Иван поступил в Петербургский университет на курс физиологии животных, после выпуска устроился на работу в физиологическую лабораторию Устимовича, а затем возглавил собственную лабораторию при клинике Боткина. Именно там он активно занялся вопросами пищеварения, точнее, причинами секреции (выделения) слюны и желудочного сока.

Казалось бы, железистые клетки стенок желудка начинают выделять сок в ответ на поступление пищи. Однако в ходе двух опытов на собаках Павлов доказал, что такое объяснение неверно. Разрезав пищевод собаки, ученый вывел его часть наружу через шею, а на желудок наложил фистулу – трубочку, один конец которой вставляется в стенку органа, а другой выводится на поверхность живота. В результате каждый проглоченный животным кусок еды выпадал, однако сок в желудке все равно образовывался и капал в специальный сосуд. Эти исследования показали, что при каждом приеме пищи желудочный сок вырабатывается независимо от того, попадает ли еда в желудок или нет.

Затем Павлов задался целью измерить количество выделяемой слюны в разных ситуациях и для этого наложил фистулу на околоушную слюнную железу, что оказалось непросто, ведь трубка должна была точно входить в выделительный проток железы. Но опыт удался, и, когда Павлов давал подготовленной собаке маленькие кусочки мяса, слюна капала из фистулы в специальный измерительный сосуд.

В последующих экспериментах ученый стал сочетать кормление со звуковым раздражителем – звонком или сигналом зуммера. В обычных условиях шум не вызывал у собаки выделения слюны, но все менялось, если звуковые эффекты повторялись перед кормлением, причем неоднократно. Возникал условный рефлекс, который, в отличие от врожденного, безусловного (выделения слюны каждый раз, когда в рот попадает пища), формируется постепенно, в зависимости от определенных обстоятельств.

Надо заметить, в конце XIX в. еще встречались люди (даже среди ученых), которые считали, что любые процессы в организме объясняются действием духовных сил. Однако Павлов понимал – объяснение явлений, наблюдаемых при выделении слюны, вполне материально, и его следует искать путем точных исследований.

Поразмыслив, ученый предположил, что при каждом воздействии раздражителя на вкусовые рецепторы возбуждается соответствующий центр мозга, после чего возбуждение передается в другой центр, управляющий деятельностью слюнной железы. Так объяснялся механизм безусловного рефлекса.

Если же одновременно с возбуждением центра, ответственного за вкусовые ощущения, многократно возбуждать центр, управляющий, например, слухом, то между ними установится связь, которую Павлов назвал временной. Благодаря этой связи всякое раздражение слухового центра будет приводить к возбуждению вкусового и передаваться в центр, руководящий выделением слюны.

В период выработки условного слюноотделительного рефлекса, положим, на свет лампочки подопытное животное получает корм после каждого включения оптического сигнала. Так условный рефлекс подкрепляется безусловным. Временный рефлекс не исчезнет, даже если прекратить его подкреплять, то есть включать световой раздражитель, пропуская кормление. Но если условный раздражитель будет действовать без подкрепления неоднократно, то слюноотделение от опыта к опыту станет уменьшаться, пока не прекратится совсем. Условный рефлекс угаснет.

Впрочем, Павлов доказал, что достаточно прочно запечатленные восприятия, а также взаимоотношения между ними не забываются. Конечно, если условный рефлекс подкреплялся всего несколько раз, его угасание наступает быстро, а на восстановление приходится затрачивать почти столько же усилий, сколько было вложено в первичную выработку. Иначе обстоит дело, когда условный раздражитель, звуковой или световой, подкреплялся много раз, – тогда условный рефлекс угасает медленно. Подкрепив его вновь, пусть даже после длительной паузы, мы убедимся, что восстановится он быстро, а значит, полностью не «забылся».

Впоследствии выводы Павлова оказались очень полезными для обучения и дрессировки. В жизни людей нередки ситуации, в которых обучение можно свести к временным связям: заучивание слов, включение света с помощью выключателя, остановка на красный свет, запоминание времени отправления поезда. То же касается и воспитания животных. Если при команде «сидеть» предлагать собаке корм, она действительно будет садиться на задние лапы, чтобы просто поесть. Однако кормление ассоциативно свяжется у нее с акустическим сигналом, и позже, когда привычка укоренится, животное продолжит выполнять команды уже без поощрения.

Таким образом, своими научными изысканиями Павлов добился поразительных результатов, позволивших расширить познания людей о работе всего организма и о процессах в коре головного мозга. Развитие медицины стало возможным во многом благодаря этому выдающемуся ученому.

Стволовые клетки

Технологии, основанные на использовании так называемых стволовых клеток, привлекают огромное внимание во всем мире. Но в массовом сознании использование стволовых клеток ассоциируется с клонированием и выращиванием человеческих эмбрионов «на запчасти».

«Ни одна область биологии при своем рождении не была окружена такой сетью предубеждений, враждебности и кривотолков, как стволовые клетки», – считает член-корреспондент РАМН, специалист в области медицинской клеточной биологии В. Репин. Хотя термин «стволовая клетка» был введен еще в 1908 г., статус отдельной науки эта область клеточной биологии получила лишь в последнее десятилетие ХХ века.

В 1999 г. журнал Science признал открытие стволовых клеток третьим по значимости событием в биологии после расшифровки двойной спирали ДНК и программы «Геном человека». Один из первооткрывателей структуры ДНК, Джеймс Уотсон, комментируя открытие стволовых клеток, отметил, что устройство стволовой клетки уникально, поскольку под влиянием внешних «инструкций» она может превратиться в зародыш либо в линию специализированных соматических клеток.

В биологию понятие «стволовая клетка» ввел русский ученый Александр Максимов (1874—1928) на съезде Гематологического общества в Берлине. Максимов первым догадался, что обновление клеток крови – это особая технология, отличная от обычного клеточного деления. Если бы клетки крови самообновлялись стандартным способом, это требовало бы гигантских размеров костного мозга.

Толчком к развитию клеточной трансплантологии стали атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в конце Второй мировой войны. Ученые поняли, что человечеству требуется защита от радиации, и принялись искать эффективные средства. Первые трансплантации гемопоэтических стволовых клеток костного мозга были проведены облученным мышам, собакам и обезьянам, и эти операции оказали на животных восстановительное воздействие. Тем не менее понадобилось почти 20 лет, чтобы трансплантация костного мозга вошла в арсенал практической медицины. Только в конце 1960-х были получены убедительные данные о возможности применения трансплантации костного мозга при лечении острых лейкозов.

Следующей значительной вехой в исследовании вопроса стало открытие российскими специалистами Александром Фриденштейном и Иосифом Чертковым стволовых клеток крови. В 1960—1970-е ученые описали и успешно культивировали фибробластоподобные клетки, получившие впоследствии название «мезенхимальные стромальные клетки». Так что именно Фриденштейну и Черткову принадлежит авторство создания учения о стволовых клетках. А в 1981 г. Мартин Эванс, Мэттью Кауфман и Гэйл Мартин впервые выделили эмбриональные стволовые клетки из эмбриобласта (внутренней клеточной массы раннего зародыша) мыши.

Однако интенсивное развитие этой науки началось с 1998 г., когда американские ученые Д. Томпсон и Д. Герхард обосновали бессмертие эмбриональных стволовых клеток.

Итак, что же это за клетки? Это прародительницы всех без исключения типов клеток в организме. Они способны к самообновлению и, что самое важное, в процессе деления образуют специализированные клетки различных тканей. Обновляя и замещая клетки, утраченные в результате каких-либо повреждений, они восстанавливают и регенерируют организм человека с момента его рождения.

Потенциал стволовых клеток только начинает использоваться наукой. Ученые надеются в ближайшем будущем создавать из них ткани и целые органы, необходимые больным для трансплантации, что позволит отказаться от использования донорских органов. Преимущество стволовых клеток в том, что их можно вырастить из клеток самого пациента и они не будут вызывать отторжения. Потребности медицины в таком материале просто огромны. В настоящее время только 10―20 % людей излечиваются благодаря удачной пересадке органа, остальные же погибают еще на этапе ожидания операции.

Все стволовые клетки делятся на эмбриональные и соматические. Эмбриональные выделяются из эмбриона на ранней стадии его развития. А соматические – это клетки взрослого организма, которые присутствуют преимущественно в костном мозге и в периферической крови (циркулирующей по сосудам вне кроветворных органов), а также в небольших количествах во всех органах и тканях.

Ко второй группе относятся клетки плацентарно-пуповинной крови, собранной сразу после рождения ребенка. Поместив эту кровь в криобанк стволовых клеток, можно использовать ее в дальнейшем для восстановления практически всех тканей и органов, а также для лечения любых заболеваний, в том числе онкологических. Однако количество стволовых клеток в пуповинной крови недостаточно велико, потому использовать их можно только однократно и лишь для самого ребенка, пока он не достиг 10-летнего возраста.

Самый же доступный источник стволовых клеток – это костный мозг человека. Концентрация «чудодейственных» клеток в нем максимальна, к тому же среди них есть как гемопоэтические (кроветворные), из которых формируются абсолютно все клетки крови, так и мезенхимальные, регенерирующие практически любые органы и ткани.

Французские ученые доказали, что некоторые стволовые клетки продолжают жить и делиться даже после смерти человека. Согласно исследованиям, этот период может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Так, например, стволовые клетки мышечной ткани способны функционировать в течение двух недель после наступления смерти организма, и, несмотря на то что в этот период все процессы замедляются, способность развиваться в полноценные клетки не утрачивается. Специалисты из парижского Института Пастера уверены, что их открытие поможет найти новые источники стволовых клеток и разработать революционные методы их консервации.

В 1998 г. французские ученые нашли способ выращивать стволовые клетки в питательной среде. Между тем почти одновременно с французами значительных успехов в изучении стволовых клеток добились японцы, которые в одном из биологических центров Токио смогли вырастить сетчатку глаза. Стволовые клетки были подсажены в глазное яблоко, после чего под воздействием специальных препаратов довольно быстро сформировали здоровую сетчатку, рецепторы которой способны воспринимать свет, цвета и передавать нервные импульсы в мозг. Это открытие может произвести революцию в лечении болезней глаз и дать надежду на восстановление зрения полностью слепым людям.

В 2012 г. Джон Моррис опубликовал в издании PLOS One результаты исследований, проведенных вместе с коллегами, и заявил, что стволовые клетки содержатся даже в злокачественных новообразованиях. Они способны делиться и дифференцироваться в самые разные типы ткани, а кроме того, генерировать новые стволовые клетки.

Таким образом, стволовые клетки в каком-то смысле действительно могут стать «запчастями» для нашего организма. И для этого вовсе не обязательно выращивать искусственные эмбрионы, ведь стволовые клетки содержатся в теле любого взрослого человека.