позитив --> негатив --> позитив.
Однако двуцепочечность спирали решает и эту проблему. Двойная цепь способна к точному копированию в один этап благодаря двум сопряженным матричным процессам, т.е. обладает вожделенным генетическим свойством - удвоением путем контактного гомологичного выстраивания сегментов на матрице:
позитив - негатив-->позитив – негатив + позитив – негатив
Наконец, модель как бы открыла путь для понимания других фундаментальных генетических процессов и свойств. Оказалось, что генетическое разнообразие можно свести к вариантам порядка мономеров, как предполагали Кольцов, Дельбрюк, Шредингер и многие другие. Тогда сохранение порядка обеспечивает консервативность наследственности. Двойная цепь ДНК, где стандартный сахаро-фосфатный костяк расположен снаружи, а вся специфичность (водородные связи оснований) спрятана внутри и менее доступна для воздействий, прекрасно соответствовала ожиданиям генетиков. Изменения же порядка мономеров, очевидно, должны были вызывать наследственные изменения, т.е. мутации.
В 1962 г. Дж.Уотсон, Ф.Крик и М.Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи. К сожалению, Р.Франклин не дождалась такого признания, она умерла в 1958 г.
Оценим полученные результаты с точки зрения информационно-кибернетического подхода. Материальный носитель генетической информации найден - это нуклеиновые кислоты (ДНК и, как стало ясно позже, РНК). Определен также промежуточный получатель генетической информации - белки. Те и другие имеют ряд общих особенностей: это линейные полимеры, построенные из небольшого разнообразия мономеров - нуклеотидов и аминокислот. В обоих случаях у мономеров есть стандартная, универсальная часть, позволяющая им соединяться в последовательности произвольной длины и порядка. Кроме этого, мономеры имеют специфические боковые группы (основания, радикалы аминокислот), порядок которых определяет функциональные свойства соответствующих последовательностей. Разнообразие перестановок астрономическое. Между мономерами полинуклеотидов существуют особые парные отношения комплементарности (A - T, G - C), позволяющие полинуклеотидам выполнять матричные функции.
Ясно, что ситуация весьма напоминает лингвистические и другие информационные системы, где информация кодируется при помощи порядка символов. Налицо алфавиты (мономеры), тексты (последовательности), матричный принцип копирования (комплементарность). Можно ожидать, что существуют некие правила кодирования, которые используются клеткой.
Этим словесным каламбуром Н.В.Тимофеев-Ресовский охарактеризовал события, последовавшие за расшифровкой структуры ДНК. Уотсон и Крик, разумеется, хорошо понимали генетико-информационный смысл и значение своей модели. Недаром Уотсон в своей книге сообщает: "Буквально все имевшиеся тогда факты убеждали меня в том, что ДНК служит матрицей, на которой образуются цепочки РНК. В свою очередь, цепочки РНК были вполне вероятным кандидатом на роль матриц для синтеза белка. <...> Идея бессмертия генов была похожа на правду, и я повесил на стену над своим столом листок с надписью
ДНК --> РНК --> Белок.
Стрелки обозначают не химические превращения, а перенос генетической информации..."
В 1958 г. Крик сформулировал этот принцип как "центральную догму" молекулярной генетики.
Однако вскоре после публикации модели в бой вступила неожиданная и свежая сила. Это был крупнейший физик-теоретик Г.А.Гамов (в английской транскрипции Дж.Эн. Геймов). В конце 20-х - начале 30-х годов Гамов был гордостью молодой советской теоретической физики. Его, выпускника и аспиранта Ленинградского университета, друга Л.Д.Ландау, послали за границу в Геттинген (Германия) к М.Борну, а затем в Копенгаген (Дания) к Н.Бору для научной стажировки. Там он выполнил ряд теоретических работ высочайшего класса и был признан одним из самых обещающих молодых физиков Европы. Интересно, что одна из его статей в 1930 г. была опубликована совместно с молодым немецким физиком-теоретиком Дельбрюком. А в 1932 г., когда Гамова не выпустили за границу, его доклад Сольвеевскому конгрессу представил его друг Дельбрюк.
В 1932 г. по представлению В.А.Вернадского и двух других академиков Гамова избрали член-корреспондентом АН СССР. Ему было 28 лет, его воспевали поэты:
"...советский парень Гамов <...> уже до атома добрался лиходей"
(Д.Бедный).
Но в 1933 г., выехав на очередной Сольвеевский конгресс, Гамов не дождался продления командировки и не вернулся, став невозвращенцем. За этот большой грех его отлучили от Академии наук, от Родины. И посмертно восстановили только в 1990 г.
Гамову принадлежали два крупнейших открытия: теория альфа-распада и космологическая теория "горячей Вселенной" - работы нобелевского уровня. Третьим своим основным достижением Гамов считал постановку проблемы генетического кода.
Вот как сам Гамов описывал этот момент: "Прочитав в "Nature" в мае 1953 г. статью Уотсона и Крика, которая объясняла, как наследственная информация хранится в молекулах ДНК в форме последовательности четырех видов простых атомных групп, известных как "основания" (аденин, гуанин, тимин и цитозин), я задался вопросом, как эта информация переводится в последовательность двадцати аминокислот, которые образуют молекулы протеина. Простая идея, которая пришла мне в голову, состояла в том, что можно получить 20 из 4 подсчетом числа всех возможных триплетов, образующихся из четырех различных сущностей. Возьмем, например, колоду игральных карт, в которой мы обращаем внимание только на масть карты. Сколько триплетов одного и того же вида можно получить? Четыре, конечно: трое червей, трое бубен, трое пик и трое треф. Сколько триплетов с двумя картами одной и той же масти и одной другой? Пусть мы имеем четыре выбора для третьей карты. Поэтому мы имеем 4x3 = 12 возможностей. В дополнение мы имеем четыре триплета со всеми тремя различными картами. Итак, 4+12+4=20, а это и есть точное число аминокислот, которое мы хотели получить".
Таким образом, Гамов первым сформулировал проблему генетического кода. Генетическая информация записана в полинуклеотидах в виде последовательности символов четырех типов: A, T, G и C. Затем она перекодируется в последовательность 20 типов (аминокислот). Кодирующие группы символов могут быть только триплетными. Правила соответствия триплетных групп нуклеотидных символов (в дальнейшем названных кодонами) и символов аминокислот образуют генетический код. Главная задача - расшифровать этот код, в том числе - объяснить происхождение числа 20, имея в наличии 64 триплета.
Чтобы понять такой поворот мысли, надо учесть некоторые обстоятельства.
Во-первых, Гамов сравнил последовательность нуклеотидов с длинным числом, записанным в четверичной системе счета. В шутку он назвал его "звериным числом", имея в виду религиозную легенду из "Апокалипсиса", где имя антихриста ("зверя из бездны") скрыто под неизвестным числом. Расшифровка "звериного числа" необходима для победы над зверем. Кроме того, 20 - число аминокислот - он назвал "магическим числом", предполагая, что объяснить его из внутренней структуры кода - это и значит решить проблему.
Первая статья Гамова и Томкинса была послана в "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America", и отвергнута редакцией, поскольку Томкинс - это мифический персонаж популярных книг Гамова, а не реальное лицо. Эта статья вышла в свет в 1954 г. в Докладах Датской академии наук в Копенгагене от имени одного Гамова.
Во-вторых, летом 1953 г. Уотсон и Крик составили стандартный список из 20 аминокислот, непосредственно участвующих в синтезе белков, а вторичные их производные исключили. Впоследствии этот список был канонизирован.
В-третьих, Гамов очень непринужденно использовал карточную терминологию. Чего стоят хотя бы такие пассажи: "Возьмем, например, колоду игральных карт..." или "Допустим, мы играем в "упрощенный покер..." и далее по тексту. Образ оказался очень точным. Действительно, имеем четыре масти - две черных с ножками (пурины) и две красных без ножек (пиримидины). Последовательность нуклеотидов можно представить в до боли знакомом виде.
Природа как бы играет с теоретиком в "упрощенный покер", игра азартная, а выигрыш - крупнейшее открытие XX века. Ясно, что души теоретиков дрогнули! Сбывались предсказания Шредингера! Интерес к проблеме стремительно достиг апогея. Начался оптимистический этап в изучении генетического кода.
В-четвертых, Гамов попытался использовать для решения проблемы генетического кода методы дешифровки шпионских кодов, в которых имел некоторый опыт. Вначале он предложил гипотезу о "перекрывающемся ромбическом коде", когда можно было проследить за определенными закономерностями в структуре известных полипептидов. В своей автобиографии Гамов писал: "...работа была столь же трудна, как расшифровка секретного военного кода на основе только двух коротких посланий, добытых шпионами. Так как в то время я (Гамов. - В.Р.) был консультантом в Военно-морском министерстве Соединенных Штатов в Вашингтоне, я пошел к адмиралу, под командованием которого находился, и спросил, можно ли поручить сверхсекретной криптографической группе расшифровку японского кода. В результате в моем отделе Университета им.Дж.Вашингтона появились три человека...
Я поставил перед ними задачу, и через несколько недель они сообщили мне, что она не имеет решения. То же заключение было получено моими друзьями-биологами: Мартинасом Ичасом, уроженцем Литвы, и Сиднеем Бреннером, уроженцем Южной Африки. Это исключило возможность перекрывающегося кода..."
В целом такая же судьба постигла и другие гипотезы. Гамов и Ичас предложили гипотезу "комбинаторного" кода, где все триплеты одинакового состава считались синонимами; 64 триплета образовали 20 групп (магическое число!); код был вырожден, триплеты в тексте не перекрывались. Очень похоже на правду! Но и этот код был забракован.
Крик, Гриффитс (племянник открывателя трансформации) и Л.Орджел предложили идею "кода без запятых", когда триплеты в тексте не отделены какими-либо знаками, но считываются единственным образом: кодирующие - 20 гетеротриплетов, а все их циклические перестановки (40) - некодирующие. Четыре гомотриплета в этом случае - тоже некодирующие. Этот вариант также не подтвердился, хотя сама проблема "кодов без запятых" исследуется математиками до сих пор.
В этом умственном состязании участвовали многие выдающиеся математики, физики, химики, инженеры, а также - научная молодежь. Однако, несмотря на остроумие многих предложений, все они оказались неверными.
"Природа хитра..." - заключил Гамов через 10 лет.
Оптимистический этап изучения генетического кода закончился. Наступило время экспериментального решения, которое в итоге оказалось очень успешным и совершенно иным. Имя Гамова почти исчезло из научной литературы по молекулярной биологии. В 1968 г. он умер.
Значение работ Гамова было очень точно сформулировано Криком: "Важность работы Гамова состояла в том, что это была действительно абстрактная теория кодирования, которая не была перегружена массой необязательных химических деталей..." Иначе говоря, это был информационно-кибернетический подход в чистом виде, который позднее полностью себя оправдал при разработке теории молекулярно-генетических систем управления и генетического языка.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
