Крик: Мой стакан опять наполовину пуст…
Уотсон: Прекрасно. Значит, туда можно долить воды!
Для обмена информацией члены клуба писали друг другу письма и встречались два раза в год. Под сигары, виски и пиво шел оживленный обмен хорошими и плохими, но, как правило, не вполне зрелыми идеями.
Поскольку Уотсон и Крик уже добились огромных успехов в спекулировании чужими данными, они с восторгом продолжили эту деятельность. За пару лет существования клуба Фрэнсис Крик сформулировал несколько идей. Самой знаменитой из них была гипотеза о том, что информация может переноситься с одних нуклеиновых кислот на другие (то есть на РНК или ДНК) и использоваться для синтеза белков, в то время как сами белки источником информации не являются. Эту гипотезу он назвал «центральной догмой» молекулярной биологии. В последующие годы почти все ее положения подтвердились. Наследственная информация в виде небольших фрагментов переносится на короткоживущие молекулы РНК (так называемые матричные или информационные РНК) и служит как бы инструкцией для производства белков. Путь выглядит следующим образом: от ДНК через РНК к белку (существует несколько исключений, но об этом позже).
Но как информация записывается в ДНК? С помощью каких кодов? Все, что было известно об этом в 1954 году, могло без труда уместиться на картонной подставке под пивную кружку: 20 аминокислот описываются с помощью четырех оснований ДНК. Это не подлежало сомнению. В остальном же информации для размышлений было очень мало. Однако все дискуссии, проходившие в веселой обстановке за выпивкой, сводились к тому, что генетический код должен представлять собой нечто великолепное, совершенное и логичное. Ведь жизнь, которая на нем основывается, завоевала даже самые неподходящие для этого уголки мира – от океанских глубин, куда не проникает свет, до вечных льдов на самых высоких горных вершинах. Если удастся выяснить, какой самый лучший и самый логичный код может быть передан с помощью ДНК, то он и окажется кодом жизни. Какая многообещающая предпосылка! Члены клуба с энтузиазмом взялись за работу. Их девизом стало высказывание Макса Дельбрюкка: «Умри, но сделай, а иначе и не пытайся!»
Гамов предположил, что для кодирования 20 аминокислот необходимы минимум три позиции ДНК. Под одной позицией понимается сочетание четырех различных оснований, что дает четыре варианта кода. Две связанные между собой позиции могут дать 16 комбинаций (4 х 4), а три – 64 комбинации (4x4x4). Сидней Бреннер (также член клуба) впоследствии доказал, что три следующие друг за другом позиции
ДНК, которые он назвал «кодоном», и составляют код аминокислоты. Но почему аминокислот насчитывается только 20, хотя существует 64 возможных кода? Гамов и его коллеги исходили из того, что для этого есть какая-то причина. Ее просто не может не быть. Согласно одной из теорий, значение имеет только сочетание оснований в кодоне, а не их последовательность. Таким образом, все кодоны, в которых, к примеру, содержатся основания А, Г и Ц (АГЦ, АЦГ, ЦГА, ЦАГ, ГАЦ и ГЦА), должны кодировать синтез одной и той же аминокислоты. Но если так, то количество вариантов кодирования сокращается с 64 до 20. Вуаля! Просто несокрушимая логика. Гамов и его клуб придумали еще много всяких теорий – в большинстве своем весьма впечатляющих и сложных, но, к сожалению, неверных.
Разгадали тайну опять-таки люди, от которых этого никто не ждал: Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи, работавшие в Национальных институтах здравоохранения США. Разумеется, они не были участниками клуба. В своей работе Ниренберг и Маттеи не стали концентрироваться на сверхсложных моделях кодирования, а с помощью элегантного эксперимента показали, что кодон РНК УУУ кодирует аминокислоту фенилаланин (кстати, это произошло 15 мая 1961 года в три часа ночи, то есть, как и в большинстве научных открытий, здесь не обошлось без большого количества кофе).
В августе того же года Ниренберг представил свои работы на крупном конгрессе в Москве. В ту пору ему было тридцать с небольшим лет, и он еще не мог похвастаться особо выдающимися достижениями. Он был никому не известен и сам никого не знал. Поэтому его доклад прозвучал перед небольшой группой, состоявшей из 30 ученых, да и те не проявили к нему жгучего интереса (Ниренберг впоследствии рассказывал, что публика была «абсолютно мертвой»). Вполне могло случиться, что это великое открытие так и пропало бы, не удостоившись ничьего внимания. Но, как это часто бывает, накануне Ниренберг встретился с Уотсоном и сообщил ему о своих достижениях. Уотсон отнесся к ним скептически, но должность «оптимиста клуба» обязывала его проявить внимание, и он попросил одного знакомого взглянуть на доклад. Тот доложил, что данные производят весьма солидное впечатление, и Уотсон передал эту информацию Крику, который попросил организаторов конференции дать Ниренбергу возможность повторить свой доклад на следующий день. На этот раз перед почти тысячей слушателей, которые аплодировали ему стоя.
Разумеется, этот успех послужил стартовым выстрелом для новой научной гонки, целью которой теперь являлась расшифровка остальных кодонов. И Ниренберг наверняка проиграл бы эту гонку более крупным и уважаемым лабораториям, если бы многочисленные коллеги из его института не проявили готовность отложить в сторону свою работу, чтобы помочь ему. Порой коллегиальность свойственна даже ученым.
Только пять лет спустя, в 1966 году, удалось понять значение всех 64 кодонов. И знаете, что еще произошло в 1966 году? Впервые по телевизору был показан сериал «Звездный путь». Как, по-вашему, отреагировал бы его персонаж Спок на расшифровку генетического кода? «Потрясающе» или «Это не логично»? Возможно, и то и другое, потому что по сравнению с элегантными моделями «Клуба галстуков РНК» этот код выглядел неуклюже и совсем нелогично. Он никак не объяснял, почему аминокислот только двадцать. В нем не прослеживалось логической связи между кодонами и отдельными аминокислотами. Все объяснялось простой случайностью. Гамов и его коллеги наверняка были сильно разочарованы банальностью своего наследственного материала. Крик говорил впоследствии, что в основе кода лежит случай, происшедший в самом начале зарождения жизни, да так и сохранившийся с тех пор в ДНК.
Но перейдем к деталям. Из 64 кодонов 61 используется для кодирования аминокислот. Для одних кислот требуется до шести кодонов, для других хватает и одного. Если для кодирования одной аминокислоты нужно несколько кодовых слов, такой код называют вырожденным (звучит не очень-то приятно). Остальные три кодона не используются в производстве аминокислот, а служат так называемыми стоп-кодонами, которые сигнализируют: «На этом синтез белка заканчивается. Пожалуйста, больше не добавляйте новые аминокислоты». О начале сборки белка сигнализирует кодон, который одновременно отвечает за синтез аминокислоты метионина.
Итак, теперь мы знаем, как выглядит план синтеза белков, с чего он начинается, как кодируются аминокислоты и чем все заканчивается.
Это уже неплохо, но одной только инструкции недостаточно. Представьте себе следующую ситуацию: у вас есть план сооружения западни для тигра. В ней написано: «Вырой яму, прикрой ее тонкими ветками и положи аппетитную приманку». Вы берете лопату и принимаетесь за работу. Через несколько часов, когда вы стоите перед готовой западней, утирая пот и грязь со лба, к вам вдруг на всех парах несется мать вашего лучшего друга и кричит: «Ну где тебя носит? Свадебная церемония уже начинается. И зачем ты поставил торт посреди дороги-и-и
и
и
и
и?!»
Вы поняли, в чем проблема? План прекрасно сработал (о чем свидетельствует гневный голос, доносящийся из ямы), но время и место были выбраны неправильно. То же самое и с генами. Здесь тоже чрезвычайно важно, в каких клетках и с какой интенсивностью они начнут работать. Каким образом происходит регулирование генных функций, было показано в 60-е годы с помощью так называемого лактозного оперона.
Если предложить бактериям (в данном случае кишечным бактериям Escherichia coli – любимцам молекулярных биологов) питательный раствор с виноградным сахаром (глюкозой) и молочным сахаром (лактозой), то сначала перерабатывается весь виноградный сахар, поскольку он питательнее и легче усваивается. Только после этого бактерии принимаются за молочный сахар.
