Криптография в пробирке

В четверг, 21 января, стало известно, что шестью днями ранее скончался биохимик Маршалл Уоррен Ниренберг. Это имя мало что говорит людям, далеким от биологии. А между тем Ниренберг был одним из тех, благодаря кому было совершено одно из главных открытий XX века - расшифрован генетический код.

Существуют открытия, которые не просто умножают знания людей, а переворачивают представления о науке и мире в целом. Именно такие открытия удостаиваются Нобелевских премий. Разумеется, не каждая работа, за которую была вручена Нобелевка, является важной вехой в развитии науки - по-настоящему великих открытий не так много. Но расшифровка генетического кода относится к "стопроцентным" нобелевским достижениям.

Код жизни

Какие имена обычно всплывают в памяти при словах "генетический код"? Наиболее часто упоминаемые персоналии - Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Да, без их знаменитой работы 1953 года по определению структуры ДНК у ученых не было бы основы для создания теории генетического кода (хотя необходимость существования кода была постулирована еще за десять лет до появления термина "двойная спираль"). И действительно, блестящая статья Френсиса Крика, написанная в 1961 году, заметно облегчила ученым задачу взлома самого важного шифра в истории человечества. Но в решении этой задачи принимало участие множество людей, без чьих усилий ответ не был бы получен так быстро.

Одним из таких людей был Маршалл Уоррен Ниренберг. Он родился в 1927 году в Нью-Йорке. Ниренберг с детства интересовался биологией и в 1948 году получил степень бакалавра, а еще через четыре года степень магистра в этой области. Работа Ниренберга на соискание магистерской степени была посвящена экологии и таксономии ручейников. В те годы биохимия только-только набирала обороты (а молекулярной биологии и вовсе еще не существовало), поэтому будущие первопроходцы нарождающихся направлений начинали с "классики".

Звание доктора философии (PhD - условный аналог степени кандидата наук) Ниренберг в 1957 году получил уже за биохимические исследования. Еще через два года будущий нобелевский лауреат заинтересовался проблемой расшифровки генетического кода, которая тогда была одной из самых животрепещущих и "модных" в биологии. Ажиотаж вокруг этой темы можно сравнить разве что с ажиотажем вокруг определения структуры ДНК. Ученые понимали, что разгадка где-то совсем близко, и отчаянно соревновались с коллегами, пытаясь первыми "щелкнуть" генетический код.

Сейчас мы знаем, что содержащаяся в наших клетках ДНК кодирует информацию обо всех белках организма. Перевод информации с "языка" ДНК на "язык" белков происходит при помощи молекулы-посредника - РНК. Этот принцип был сформулирован Френсисом Криком и получил название основной догмы молекулярной биологии. Белок представляет собой цепочку из элементарных блоков - аминокислот. Каждая аминокислота кодируется тремя элементарными блоками ДНК, известными как нуклеотиды. Генетический код вырожден, линеен, однозначен, непрерывен и не перекрывается. Посмотреть, как он выглядит, можно здесь.

Что было известно ученым на рубеже 50-х и 60-х годов прошлого века? Они знали, что ДНК необходима для синтеза белков, знали, что генетическая информация записана в форме некоего кода, знали, что код этот линеен, знали, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида (эту идею обосновал американский физик русского происхождения Георгий Гамов) и знали, что между ДНК и белком "стоит" РНК. Примечательно, что все эти выводы были сделаны в отсутствие значительных экспериментальных данных. В 1961 году Френсис Крик в своей уже упоминавшейся выше работе вывел общие принципы, которым должен удовлетворять генетический код. Однако сам код по-прежнему оставался неизвестен.

Вскрыть шифр при помощи прямого неоспоримого эксперимента удалось Ниренбергу и его коллегам. Они создали систему, при помощи которой могли непосредственно наблюдать, какой белок синтезируется на базе конкретной РНК (последовательность которой является копией искомой последовательности ДНК). Система представляла собой экстракт клеток кишечной палочки Escherichia coli, содержащий все компоненты, необходимые для белкового синтеза. Ниренберг и его сотрудники решили выяснить, какой белок кодирует РНК, состоящая только из одного типа нуклеотидов - урацила (всего в РНК их четыре: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г) и урацил (У)). Ученые искусственно создали молекулы РНК с последовательностью УУУУУУУ…..УУУУ.

Расчет Ниренберга был следующим: если тройка нуклеотидов УУУ кодирует какую-либо из аминокислот (на тот момент их было известно 20), то синтезированный в бесклеточной системе белок будет представлять собой цепочку из молекул только этой аминокислоты. Чтобы увидеть, какой именно белок будет синтезирован, исследователи использовали радиоактивно меченые аминокислоты (их также называют "горячими"). Во всех раундах эксперимента ученые использовали 20 пробирок, в каждой из которых была своя аминокислота. Одна из 20 пробирок содержала "горячие" аминокислоты. В каждом раунде радиоактивной была только одна из 20 аминокислот и каждый раз разная. Ниренберг добавлял РНК УУУУ….УУУ в каждую из пробирок и смотрел, в какой из них будет синтезирован радиоактивный продукт (белок). По итогам опыта было установлено, что тройка УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин.

Следующими были вскрыты коды ЦЦЦ, ААА и ГГГ. Затем Ниренберг вместе со своим сотрудником Ледером придумали, как работать с "шифрами", состоящими не только из одинаковых нуклеотидов. В итоге в 1966 году генетический код был полностью определен. Все имеющиеся данные собрал воедино Френсис Крик в своем выступлении на симпозиуме по количественной биологии в лаборатории Колд Спринг Харбор. Через два года Нобелевский комитет присудил премию Ниренбергу и еще двум исследователям, получившим критические для теории генетического кода данные. Невиданная быстрота в вынесении решения о награде (среднее время, проходящее между совершением открытия и вручением Нобелевской премии, составляет около 10 лет) свидетельствует, насколько важным считали современники работы Ниренберга.

Эталонные работы

Эксперименты, придуманные и поставленные Ниренбергом, ценны не только своим огромным значением для науки. В эпоху зарождения молекулярной биологии фактических данных у ученых было очень мало, а открыть им предстояло самые основные принципы функционирования живого. Поэтому опыты тех лет отличаются удивительным изяществом и остроумными подходами к решению поставленной задачи. Сейчас биологические работы зачастую "берут" огромным количеством экспериментального материала, а их выводы нередко являются всего лишь обобщением имеющихся фактов.

Ниренберг был одним из тех старых ученых, которых отличали блестящий ум и нестандартные подходы. Его работы заслуживают того, чтобы о них знали не только специалисты-биологи. Они являются уникальным пособием для тех, кто хочет научиться думать.