Модель утвердила матричный принцип, основанный на парной

комплементарности нуклеотидов (т.е. на принципе "близкодействия"), из чего

вытекала простая и естественная схема матричной репликации. Ясно, что в

этом случае копирование отдельной матрицы можно произвести только в два

этапа:

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.

"Крик и Гам"

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5