Нейроспора в настоящее время является классическим объектом микробиологической генетики, к которому постепенно присоединяется ряд других организмов. Мутации не только используются для изучения многих вопросов генетики, они служат также и промышленным целям. В пятой части нашей книги читатель узнает, каким образом микробиологи при помощи мутагенных факторов «принуждают» микробы, образующие пенициллин и другие антибиотики, повысить свою продуктивность. Если раньше Penicillium chrysogenum синтезировал на каждый миллилитр питательной жидкости только 5—10 единиц пенициллина, то сейчас его потомки производят до 10 и даже до 15 тысяч единиц.

При изучении мутаций удобным объектом могут быть и бактерии. За первые исследования в этой области, равно как и за изучение бактериофагов, в 1969 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили три американских микробиолога — С. Лурия, М. Дельбрюк и А. Херши.

Дельбрюк был сначала физиком, но его всегда привлекала биология, в частности бактериофаги; именно на этом поприще он и познакомился с Лурия. Херши вместе с Мартой Чейз доказал, что инфекционным началом бактериофагов является нуклеиновая кислота, а не белок.

Лурия известен своим высказыванием о том, что «вирусы — это паразиты на генетическом уровне». Вместе с Дельбрюком он создал метод, известный под названием «флюктуационный тест». При помощи этого метода изучали мутации на бактериях Escherichia coli, которые в послевоенные годы были излюбленным объектом ученых. Своим флюктуационным тестом они доказали, что приобретенная бактериями устойчивость к бактериофагам связана с мутациями. При встрече с устойчивой клеткой бактериофаг терпит поражение, а клетка остается живой. Но таких «удачливых» бактерий бывает чрезвычайно мало — из 300 миллионов делящихся бактерий только одна-единственная может иметь шанс приобрести устойчивость к бактериофагам путем мутации!

Какова же генетическая сущность мутаций? Как генетикам удается разгадывать подоплеку этих явлений? Ведь даже изучение таких, казалось бы, простых организмов, как нейроспора, — очень трудная задача. Было бы значительно легче, если бы в нашем распоряжении имелись какие-то несложные «модели генетического материала» вроде комбинации нуклеиновой кислоты и белка, что-то подобное гену, который способен к «самовоспроизводству» и подвержен мутациям. Могут ли биологические объекты представить нам такую модель? Да, могут — такими моделями могли бы быть вирусы. Они отвечают всем этим требованиям.

Вирус табачной мозаики, который уже не раз помогал нам разгадать многие загадки жизни, предлагается и в качестве модели для изучения мутаций. ВТМ содержит рибонуклеиновую кислоту, которая, как мы увидим далее, выполняет ту самую генетическую роль, которую у других вирусов и живых клеток выполняет ДНК.

В Лаборатории вирусов Калифорнийского университета было положено начало изучению ВТМ; в распоряжении ученых имеется не только «нормальный» ВТМ, но и его мутанты, возникшие в результате происходящих в природе мутаций. Эти мутанты отличаются от нормального ВТМ симптомами вызываемого ими на листьях табака заболевания.

ВТМ и его мутанты послужили хорошими объектами при изучении химической природы мутаций. Сотрудники лаборатории сравнили прежде всего белковую часть ВТМ и мутанта, обозначаемого шифром J14D1. При изучении их белковых субъединиц, состоящих, как мы знаем, из 158 аминокислотных остатков, было обнаружено, что участие отдельных аминокислот неодинаково. Субъединицы мутанта J14D1 имели на одну молекулу лизина больше и на одну молекулу глютаминовой кислоты меньше, чем нормальный ВТМ.

Ученые пытались также уловить различия в молекулах РНК. Но это оказалось трудной задачей, поскольку расположение отдельных нуклеотидов в макромолекулах еще неизвестно. Однако процентное различие в РНК нормального ВТМ и РНК мутанта установить все же удалось. И эти данные были очень важны.

Теперь мы знаем, что РНК из ВТМ способна сама по себе вызвать заболевание табачной мозаикой. И если мутант J14D1 вызывает иное течение болезни, то это происходит потому, что он содержит иную РНК, которая в клетках пораженных растений заставляет ферменты синтезировать иную РНК и иные белковые субъединицы у вирусных частиц. Мы видели, что различия в этих субъединицах незначительны и касаются лишь двух аминокислот. Более заметны различия в самом действии нормального ВТМ и его мутанта: ВТМ вызывает на листьях молодых растений табака образование пузырьков и замедляет, но не останавливает их рост, тогда как мутант J14D1 приводит к быстрой гибели растений.

Сравнительное изучение было проведено и другими учеными, которые получили сходные результаты. Таким образом, исследования показали, что мутация у вирусов вызывала специфические изменения в структуре их нуклеиновых кислот и белков. Если считать вирусы неким подобием модели генов, можно предположить, что и в генах клеток, подверженных мутациям, происходят сходные химические изменения нуклеиновых кислот и белков. А это влечет за собой наследственные изменения некоторых свойств клетки.

Доказательства того, что РНК вирусов является генетическим материалом, предоставил нам все тот же ВТМ. Прежде всего ученым удалось изменить частицы ВТМ, устранив из их состава белковый компонент. В таком состоянии вирусы напоминали кусочки изолированного провода, с которого местами снят слой изоляции. Осталась нетронутой лишь РНК, однако инфекционные (вирулентные) свойства вируса сохранились. Затем ученые удаляли из ВТМ весь белок и снова испытывали вирулентные свойства частиц. Они все еще сохранялись, но стали приблизительно в 1000 раз слабее, чем неразрушенные частицы ВТМ.

Потом внимание ученых привлекли интересные опыты X. Френкель-Конрата. Очень тонкими химическими методами ему удалось отделить друг от друга РНК и белок ВТМ. Он доказал, что вирулентна лишь РНК. Затем он попытался снова связать разъединенные компоненты — белок и РНК. Ему удалась и эта операция. Воссоединение РНК с белком вернуло вирусу его прежнюю высокую инфекционность. Френкель-Конрат назвал это воссоединение компонентов вируса реконструкцией (фото 53).

На этом опыты не закончились. Впереди был наиболее сложный этап. В двух различных мутантах ВТМ (назовем их А и Б) Френкель-Конрат осторожно отделил РНК от белковой «оболочки». Потом, взяв белок из вируса А, он смешал его в пробирке с РНК, взятой из вируса Б. При этом были созданы как бы некие «перекрестные» вирусы: белковый цилиндр был от вируса А, а РНК — от вируса Б. Реконструкция, таким образом, удалась и в этом случае. Но каков был ее результат? Новый вирус обладал свойствами лишь того из прежних вирусов-мутантов, от которого была взята РНК, то есть свойствами вируса Б. О том, что это значит, говорит сам ученый:

«Этот опыт очень ярко иллюстрирует положение, согласно которому именно нуклеиновая кислота (РНК), а не белок является генетически активным материалом, важнейшим компонентом вируса, определяющим его характер и характер вызываемой им болезни».

Но можно ли на основании одних опытов с ВТМ делать столь обобщающие выводы? Рискованно. Правда, в настоящее время инфекционную РНК удалось выделить и из других РНК-содержащих вирусов: вируса полиомиелита и вируса энцефалита лошадей.

Мы говорили о мутантах ВТМ, созданных природой. Сегодня нам известны уже и его лабораторные мутанты. Первые из них увидели свет в лаборатории Г. Шрамма.

Шрамм в своих опытах исходил из возможности замены аминогруппы (—NH₂) в молекуле цитозина гидроксильной группой (—ОН) при помощи азотной кислоты. При таком замещении цитозин преобразуется в урацил. Мы знаем, что и тот и другой содержатся в молекулах РНК.