Открытие днк. Кто открыл ДНК? Кто предложил молекулу днк

Из истории открытия структуры ДНК

В 1910 г. стало ясно, что гены располагаются на хромосомах. Но не ясно было, из какого материала состоят гены – из белка или из нуклеиновой кислоты.

В 1928 г. Ф. Гриффит начал изучать роль нуклеиновой кислоты в жизни клетки в опытах на пневмококках.

Имеется два типа пневмококков. У одного пара бактериальных клеток окружена капсулой. Второй тип клеток – без капсулы. Капсула защищает микробы от фагоцитоза. Если ввести такие мышам, то они погибают. Пневмококк без капсулы не заражает мышей и не вызывает пневмонию.

Опыт. Мышей заразил смесью клеток живых пневмококков без капсул и мертвых пневмококков с капсулами.

Ожидалось, что мыши останутся здоровыми. Но они погибли от пневмонии. Живые бактерии, выделенные из мышей, имели капсулы. Это явление трансформации клетки.

Опыт. Микробиологи предположили, что какое-то вещество мертвых пневмококков способно заставить живые клетки образовывать капсулы. Они показали это в опытах.

Пневмококки с капсулами убили, растерли их и приготовили раствор из разрушенных этих клеток, – это экстракт. В культуральную среду внесли экстракт из мертвых клеток с капсулами, затем в эту среду внесли живые пневмо- кокки без капсул.

Результат: некоторые из клеток без капсул трансформировались в клетки с капсулами; их потомки также обладали капсулами и при введении их мышам вызывали пневмонию.

Оказалось, что клетки без капсул претерпели изменение - они стали обладать капсулами и вызывали пневмонию. Важно, что и их потомки также образовывали капсулы и вызывали пневмонию.

Вывод: 1) признаки пневмококков изменились, 2) это вызвано скорее тем, что какой-то компонент экстракта или он стал частью пневмококка.

Опыты Ф. Гриффита продолжили американские ученые – микробиолог

О.Т. Эвери (1877-1955) и его сотрудники.

Они задались вопросом: какое вещество вызывает трансформацию одного штамма пневмококка в другой? Для этого они повторили опыты Ф. Гриффита, используя вместо микробов экстракт из них.

Экстракт в опытах с пневмококками сохранял свою трансформирующую активность при разрушении в нем белков и РНК, но терял ее при разрушении ДНК.

Вывод: трансформирующим веществом является ДНК. Отсюда гены построены из ДНК.

Трансформация состоит в передаче генов от умерших пневмококков в живые и внедрении их в хромосому-хозяина, т.е. в бескапсульные пневмококки.

Роль ДНК в клетке была дополнена из жизни вирусов, содержащих ДНК. Они заражают клетки бактерий для того, чтобы осуществить в них цикл размножения.

При этом обнаружилась способность ДНК вируса синтезировать свои копии и белки.

Из всего следует, что ДНК контролирует жизнь содержащих ее клеток и способна синтезировать копии своих молекул. Этот процесс называется «самоудвоением» или размножением. ДНК – единственная в природе молекула, способная копироваться.

Вклад акад. Н.К. Кольцова

В 1927 г. наш ученый – акад. Н.К. Кольцов (1872-1940) писал, что «в одной хромосоме укладывается одна невероятно длинная молекула, а вдоль неe располагаются отдельные группировки атомов – гены».

Он также впервые сказал, что «при делении клеток такие молекулы не создаются заново из отдельных кусков, а сначала достраивают на себе точные копии, а затем исходная молекула и копия разойдутся вместе с дочерними хромосомами в образующиеся заново клетки». Это матричный принцип репликации генов и затем хромосом перед делением клетки на две.

Как происходит удвоение ДНК перед делением клетки было тайной для биологов в течение многих десятилетий. Ученые догадывались, что для понимания этого необходимо знать: 1) строение ДНК и 2) способы расположения нуклеотидов в молекуле.

К 1950 г. было известно, что ДНК молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию молекул четырех разных типов – нуклеотидов.

Э. Чаргафф (1950) показал, что в любой ДНК количество аденина равно количеству тимина (А=Т), а количество гуанина – количеству цитозина (Г=Ц). Это указывало на то, что в молекуле ДНК они находятся парами: А-Т; Г-Ц.

Р. Фраклин (1920-1958) в лаборатории М. Уилкинса методом рентгеновской кристаллографии получила «знаменитое ныне изображение картины структуры ДНК».

Однако из этих знаний не ясно было: как работает эта молекула или как она выглядит? Никто не знал, как выстраиваются химические единицы – А, Т, Г, Ц, чтобы нести в себе информацию о плане строения и воспроизводства живого.

Модель молекулы ДНК

Д. Уотсон и Ф. Крик занялись созданием модели молекулы ДНК, как Л. Полинг – для изучения пространственной структуры белка. Она помогла бы понять детали структуры и возможные функции ДНК.

Проведя расчeты, они в течение 18 месяцев были заняты созданием модели и создали модель ДНК. Но они не были уверены в правильности этой модели.

Руководитель Р. Франклин – М. Уилкинс разрешил Д. Уотсону ознакомиться с рентгеновским изображением молекулы ДНК, не сказав об этом ничего Р. Франклин. Когда Д. Уотсон увидел полученное Р. Франклин изображение, он понял: «они с Ф. Криком не ошиблись». На этом снимке они четко видели при- знаки спирали и пошли сразу в лабораторию, чтобы проверить «все на объемной модели».

Из-за отсутствия пластин Д. Уотсон вырезал из картона четыре типа макетов нуклеотидов: аденина (А), Тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц) и стал раскладывать их на столе.

Он тут же обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин с цитозином по принципу «ключ-замок», образуя пары. Именно таким образом удерживаются между собой две цепи молекулы ДНК.

Последовательность этих пар в молекуле может бесконечно варьировать. Это и служит шифром или кодом, при помощи которого зашифрована информация, определяющая тип белка, синтезируемого данной клеткой (Рис. 1).

Рис. 1.

Основания соединены водородными связями.

Молекула ДНК имеет две функции: 1) передавать информацию потомству, т.е. дочерним клеткам и 2) реализовывать информацию внутри клетки.

Из структуры двойной спирали сразу видно прямое следствие – репликацию, т.е. размножение ДНК. Способ: расхождение двух комплементарных цепей и построение по каждой из них новой – дополняющей цепи. Так из одной молекулы ДНК образуется две, что требуется для деления клетки на две. Ошибки при репликации, т.е. мутации – причина превращения нормальной клетки в дефектную (Рис. 2 и 3).

Итак, был доказан матричный принцип репликации ДНК перед делением

Клетки, предсказанный великим учeным, акад. Н.К. Кольцовым. Две части молекулы отделяются друг от друга, по каждой из них синтезируется новая поло- вина молекулы. Порядок же оснований – в роли матрицы или образца для дост- раивания молекул.

ДНК – хранилище генетической информации

Информация о синтезе каждого типа белка заложена в ДНК в виде некой линейной последовательности оснований.

В 1961 г. Ф. Крик доказал, что каждая группа из трех оснований образует кодон. Один кодон кодирует одну аминокислоту из 20 главных аминокислот.

Для переноса информации о структуре белка из ядра клетки имеется иРНК. Она – копия с фрагмента кодирующей матричной цепи ДНК. В ней вместо тимина содержится урацил.

По иРНК в рибосоме с помощью транспортной РНК будет синтезирован белок – конечное звено реализации генетической информации. Так как ДНК служит хранилищем генетической информации, ее называют молекулой жизни.

До начала работы Д. Уотсона и Ф. Крика над структурой ДНК, уже многое было известно.

Р. Франклин в 1951 г. впервые получила первую уникальную рентгенограмму молекулы ДНК, где видно, что эта молекула имеет форму двойной спирали, очень похожую на винтовую лестницу. Ее снимки сыграли решающую роль в открытии Д. Уотсона и Ф. Крика. В знак этого, Р. Франклин называют «пионером» молекулярной биологии.

За открытие структуры ДНК и ее функций Д. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс в 1962 г. удостоены Нобелевской премии. Р. Франклин не дожила. Она скончалась от рака в 1958 г.

Революция в мире науки

Открытие пространственной структуры ДНК – стало основанием для ряда новых открытий.

В 60-х гг. ХХ в. механизм репликации ДНК подтвердился, обнаружен фермент – ДНК-полимераза, катализирующий этот процесс.

Открыт генетический код, т.е. шифр, по которому в клетке синтезируются белки.

В 70-х гг. XX в. еще два метода были созданы: секвенирование и получение рекомбинантной ДНК.

Получение рекомбинантной ДНК или метод молекулярного клонирования. Суть этого метода – в молекулу ДНК встраивают фрагмент, содержащий определенный ген.

Например, вводят его в бактерию, и она синтезирует его продукт – белок, который необходим человеку.

В 80-х гг. XX в. разработана полимеразная цепная реакция (ПЦР). Эта технология необходима для быстрого «размножения» нужного фрагмента ДНК.

С помощью ПЦР можно осуществлять раннюю диагностику бактериальных и вирусных инфекций, а также первые раковые клетки в организме пациента по их генам-маркерам.

Например, в плазме крови пациента можно обнаружить фрагменты генов- маркеров раковой клетки. Если фрагмент в малом количестве или единственный, с помощью ПЦР его размножают и после этого легко идентифицируют.

Открытие структуры ДНК дало возможность учeным расшифровать геном человека и многих других организмов. Это открытие позволило перейти к генной терапии любой болезни, в том числе рака.

Раковая клетка «плохо распознается иммунной системой пациента, т.к. она возникает из нормальной клетки организма-хозяина».

Поэтому для уничтожения раковых клеток с помощью генной терапии, надо прежде сделать раковые клетки «чужими» для иммунной системы.

Есть много способов, как это сделать. Можно из материала биопсии рака выделить раковые клетки, ввести в них «чужой» ген, а затем эти раковые клетки ввести обратно в организм пациента. В таком случае иммунная система по белку этого гена будет распознавать раковые клетки как «чужие» и уничтожать их.

В опытах на животных такой метод воздействия на ДНК раковых клеток дал обнадеживающие положительные результаты. Но для лечения же пациентов от рака, подобный метод находится пока на этапе клинических испытаний

(Е.Д. Свердлов, 2003).

К эре «живых технологий»

И совсем необычно – начало новой эры «живых технологий». Ученые ряда стран заявляют, что они почти готовы к созданию «искусственной жизни», т.е. абиогенезу.

Пока нет единого определения живого, для него характерны три признака; 1) наличие контейнера, т.е. мембраны, вмещающего содержимое клетки;

2) метаболизм – способность преобразовывать базовые питательные вещества в рабочие механизмы клетки; 3) наличие генов – химических конструкций, необходимых для построения клетки, которые могут передаваться потомству и изменяться вместе с изменениями окружающей среды.

Каждый из этих трех элементов уже воспроизведен в лабораториях, ученые готовы приступить к попыткам соединить все это «в одну рабочую единицу», т.е. клетку.

В случае успеха, это будет «мир сверхмалых живых машин: специальные клетки будут лечить организм человека и бороться с загрязняющими окружающую среду веществами».

Ближайшей задачей науки ученые считают создание «искусственной клетки», способной к самовоспроизводству и вырабатывающей уникальные химические вещества, в том числе лекарства, которые пока не удается синтезировать.

«Искусственное живое» будет находиться под полным контролем человека, например, «подпитывая» его элементами, не встречающимися в природе в чистом виде.

Синтез вирусов и начало синтеза клетки

1. Проф. Э. Уиммер (E. Wimmer) и его группа из Нью-Йорка в 2002 г. впервые со времeн зарождения «живого» на Земле, создали вирус полиомиелита из неживой материи.

Ученые спорят: вирусы – это живые существа или неживые объекты?

У.М. Стэнли – лауреат Нобелевской премии – считает, что «в клетке вирус ведет себя как живое существо, а вне клетки он мертв, как камень».

Г. Надсон – наш микробиолог, говорит так: «Вирус – это то ли вещество, обладающее свойствами существа, то ли существо со свойствами вещества».

Акад. В.А. Энгельгардт – наш ученый, писал: «Многие вирусы состоят всего лишь из белка и нуклеиновой кислоты. Они могут быть отнесены к химическим соединениям – нуклеопротеидам».

Геном вируса полиомиелита полностью расшифрован. На этом основании учeные собрали точную последовательность нуклеотидов, соответствующую естественному образцу.

Этот генетический материал поместили в раствор, подобный цитоплазме. В нем по информации, заложенной в ДНК, были синтезированы необходимые белки.

Проф. Э. Уиммер сообщает, что как только в пробирку были помещены все генетические составляющие, вирус тут же «самособрался». Иными словами,

«жизнь, или по крайней мере еe подобие, завелась с пол-оборота».

Созданный вирус выглядел так же, как его природный образец. Для доказательства активности вируса ученые заразили им мышей. Животные погибли при классических симптомах полиомиелита.

На сборку генома вируса полиомиелита проф. Э. Уиммеру потребовалось три года.

В той же лаборатории К. Вентер (J. Craig Venter) синтез вируса произвел за 14 дней.

2. Синтез искусственного вируса phi-Х174. Это бактериофаг, существует в природе, безопасный для человека и животных.

К. Вентер и его группа взяли несколько участков ДНК и соединили их, создав полный геном вируса, содержащий одиннадцать генов. Эта смесь была помещена в пробирку, где самостоятельно собралась в генетическую цепочку, идентичную геному phi-Х174. После этого собранный геном имплантировали в живую клетку, которая начала производить копии вируса.

3. Американские учeные создадут неизвестную в природе форму живого. Учeные из лаборатории Роквилля объявили о намерении создать при помощи генной инженерии новую форму жизни – 21.11.2002.

Цель проекта – исследования фундаментальных механизмов зарождения и развития органической жизни. Основные участники – генетик К. Вентер и Нобелевский лауреат Х. Смит.

Целью эксперимента является создание одной клетки, являющейся базовой для формирования организма с минимальным набором генов для поддержания жизни.

Если опыт удастся, то выращенная клетка будет расти и делиться, создавая, таким образом, целую клеточную структуру, не существующую в при- роде. Это будет «минималистский» организм.

В конце 1990-х гг.XX в. К. Вентер – в то время глава Института геномных исследований в Роквилле (США), – опубликовал перечень генов, необходимых для существования одноклеточного организма, – микоплазмы. По его подсчетам этот обитатель половых путей человека может обходиться 300 генами из своих 517, которые в этом микробе образуют одну хромосому.

В основе проекта – на 3 года, лежит та же бактерия. Из ее клетки ученые намерены извлечь весь генетический материал, затем скомпонаватъ из его «кусочков» искусственную цепочку генов, т.е. хромосому. В еe состав войдут только те гены бактерии, которые «безусловно необходимы» для поддержания жизни нового организма. На завершающем этапе собранная цепочка генов будет инкорпорирована в лишенную генетического материала клетку.

Затем «должно случиться самое интересное, то, ради чего задуман эксперимент» – оживление бактерии. Дальше пойдут наблюдения за таким полуприродным организмом: как он живет и размножается.

«Нас интересует: можно ли придти к молекулярному определению жизни, и наша главная цель – фундаментальное понимание составляющих самой элементарной живой клетки».

Во избежание создания болезнетворного агента К. Вентер и Х. Смит лишат новую «микоплазму» генов, ответственных за ее прикрепление к клеткам в организме человека, потом тех генов, которые позволяют ей выживать в неблагоприятных условиях. В результате получится «довольно хрупкое существо, абсолютно зависимое от своих создателей».

В задачу исследований также входит научиться искусственно создавать различные гены. «Это – воистину базовая наука, – говорит К. Вентер. – Даже

При том, что мы обнаружили все гены в человеческом геноме, мы до сих пор не смогли постичь тайну самой простой клетки. Именно это мы и хотим сделать сейчас».

К. Вентер и Х. Смит и их группы в запасе имеют и другой вариант создания живой клетки: искусственно в лаборатории синтезировать эти базовые гены, собрать их в цепочку, а затем ввести их в такую же бактерию, из которой ее генетический материал весь будет предварительно удалeн.

Что вкладывает К. Вентер в свою задачу – дать «молекулярное определение жизни»?

Любая клетка построена из молекул, как и организм в целом. Их структура и состав, а также взаимодействие заложены в генах. В процессе эволюции каждая молекула скроена в соответствия с функцией в клетке. Клетка – это не хаотическое скопление молекул, а «их упорядоченность», т.е. организация, так как ее строят гены через продукты – белки. Разрушь ее, то хотя и останутся в виде смеси эти молекулы клетки,– это уже будет мертвое, так как разрушена молекулярная организация клетки. А она создана в процессе эволюции «живого».

Отсюда: К. Вентер стремится минимумом генов получить такую организацию неживых молекул, которая превратится в «живое». Это и будет абиогенезом.

Проникая все глубже в тайны мироздания, человек пытался ответить на один из основных вопросов, которым задавались еще древние мудрецы: что есть жизнь, что есть сам человек? Тайна рождения живых организмов интересовала ученых не меньше, чем строение звезд. Открытия в области биологии, совершенные в XX в., вывели человечество на новые рубежи, наметили поистине фантастические перспективы. Молекулярная биология по‑прежнему остается одной из самых перспективных наук нашего времени.

Разработав теорию эволюции живых организмов, Дарвин не мог ответить на вопрос, как закрепляются в потомстве изменения в структуре и функциях живых организмов, возникшие в процессе этой эволюции. Но когда его книга только‑только вышла из печати, в Чехии уже ставил свои опыты Грегор Мендель. Его выводы положили начало развитию науки о наследственности - генетики, которой суждено было объяснить важнейшие загадки мироздания. На модели гороха Мендель впервые установил существование особых «наследственных факторов» (позднее названных «генами»), передающихся от одного поколения другому, переносящих при этом определенные признаки. Однако еще долгое время сам механизм передачи был ученым неизвестен.

В то же время в Германии работал зоолог Август Вейсман, который высказал и доказал правильность мнения о том, что переход родительских свойств на потомство зависит от прямой передачи родителями некоего материального вещества, которое, по мнению Вейсмана, было заключено в хромосомах - органеллах клетки. Важнейшие для развития генетики исследования в дальнейшем провел американец Томас Морган. Поставив массу экспериментов на мухах‑дрозофилах, он и его сотрудники пришли к выводам о материальных основах наследственности, линейной локализации генов в хромосомах, закономерности их мутационной изменчивости, цитогенетическом механизме их наследственной передачи и др., что позволило окончательно оформить основные принципы хромосомной теории наследственности.

В 1869 г. биохимик Мишер выделил из клеточных ядер неизвестное до тех пор вещество со свойствами слабой кислоты. Позднее химик Левин установил, что в состав этой кислоты входит углевод дезоксирибоза, отчего она и была названа дезоксирибонуклеиновой (ДНК). В 1920 г. тот же Левин идентифицировал в составе ДНК четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимидин (Т). Таким образом, уже в 20‑х годах XX в. ученые знали, из чего состоит ДНК. Эти сведения были существенно дополнены в 1950 г. биохимиком Чаргафом, обнаружившим, что в молекуле ДНК количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц.

Однако, что касается роли ДНК в хранении и передаче наследственной информации, то долгое время по этому поводу имелись только догадки. В 1944 г. микробиологи Эвери, Маккарти и Маклеод впервые передали от одного микроба к другому определенные свойства с помощью ДНК.

А 28 февраля 1953 г. два молодых ученых из Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Френсис Крик сообщили о своем открытии структуры молекулы ДНК. Они установили, что эта молекула представляет собой спираль, состоящую из двух цепочек. В каждой цепочке, имеющей фосфатно‑сахарную основу, содержатся азотистые основания. Водородные связи между А и Т, с одной стороны, и Г и Ц - с другой, определяют устойчивость двуспиральной структуры. Уотсон и Крик определили, что последовательность азотистых оснований в структуре двуспиральной ДНК является «кодом» генетической информации, который передается при копировании (удвоении) молекулы. Когда две цепи ДНК разъединяются, к ним могут прикрепляться новые нуклеотиды, и около каждой из старых цепей образуется новая, точно ей соответствующая (поскольку единственно возможным является сочетание нуклеотидов А - Т, Г - Ц).

Статья Уотсона и Крика под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот» была опубликована 25 апреля 1953 г. в журнале «Nature». В этом же номере была напечатана статья лондонских ученых Р. Франклин и М. Вилкинса, в которой были описаны результаты рентгеновского исследования молекулы ДНК, показавшего, что эта молекула действительно представляет собой двойную спираль.

Открытие Уотсона и Крика было признано практически во всем мире (опоздал лишь СССР, где генетика была разгромлена благодаря усилиям академика Лысенко). Уже в 1961 г. американские биологи Ниренберг и Очоа установили, что отдельные участки ДНК кодируют, т. е. определяют строение совершенно конкретных белковых структур («три расположенных рядом нуклеотида кодируют одну определенную аминокислоту»). Эти ученые определили кодоны, соответствующие каждой из 20 аминокислот.

Естественно, открытие Уотсона и Крика дало лишь базу для последующих исследований, но без этой базы генетика, вероятно, не могла бы развиваться дальше. В 1962 г. оба ученых получили Нобелевскую премию.

В первой половине 1970‑х годов были впервые получены гибридные молекулы ДНК («ДНК‑ДНК»), способные проникать в клетки различного происхождения и стимулировать там синтез несвойственных этим клеткам белков. Это было рождением новой дисциплины - генной инженерии, которая была сразу же взята под правительственный контроль в связи с потенциальной возможностью ее использования для создания биологического оружия. В 1977 г. был разработан первый вариант «машинного» метода определения нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК, что резко увеличило количество раскрытых («прочитанных») геномных участков и целых генов. В 1982 г. было получено первое лечебное средство нового поколения - генно‑инженерный инсулин. Он производится бактериальными клетками, в которые вводится ДНК, кодирующая структуру белка инсулина. В 1983 г. был разработан способ увеличения количества молекул ДНК с помощью фермента полимеразы, а в 1985‑м - метод индивидуального молекулярного «фингерпринтирования» (то есть своеобразного «снятия отпечатков пальцев») каждой оригинальной пробы ДНК. Это позволило осуществлять сравнение разных проб ДНК между собой для определения их идентичности или, напротив, несхожести. Эти методы сразу же начали применяться в судебной медицине для идентификации биологических «следов преступления», а также для установления отцовства. Расширяется новая генно‑инженерная технология производства некоторых пищевых продуктов. В 2000 г. был практически полностью расшифрован геном человека. Наука вплотную подошла к возможности заранее определять фенотип, способности, патологии человека, который только должен родиться. И не только определять, но и корректировать, заменять «больные гены» на «здоровые».

В 1952 г. английский биофизик Розалинда Франклин обнаружила, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) напоминает по своей структуре винтовую лестницу. Однако славу этого открытия, заложившего основу современного исследования генов, присвоили впоследствии Морис I Уилкинс, а также Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон.

Устройство наследственности I Розалинда Франклин исходила из предположения, что ДНК огромной длины полимерная молекула из нуклеотидов — должна состоять из повторяющихся блоков. Для проверки этой гипотезы английская исследовательница не могла просто прибегнуть к микроскопу. Подобные субмикроскопические явления можно уловить лишь посредством дифракции рентгеновских лучей. Поэтому исследовательница подвергла молекулы ДНК рентгеновскому облучению и в результате долгой кропотливой работы установила, что их структура представляет собой двойную спираль. Так впервые удалось представить себе строение основного слагаемого человеческой жизни.

Открытие, оставшееся в тени

Франклин не стала сразу публиковать результаты своего исследования. Она хотела сначала получить подтверждение своим наблюдениям у коллег. В 1953 г. Морис Уилкинс, руководитель Франклин, без ее ведома передал предоставленные ему результаты своему сотруднику Крику и биохимику Уотсону. Этим ученым был к томувремени уже известен химический состав ДНК: сахар, дезоксирибоза, фосфат и азотсодержащие основания аденин, цитозин, гуанин и тимин, и они мгновенно оценили значение данных Франклин.

Нобелевская премия не присуждается посмертно

Крик и Уотсон, внеся в работу некоторые дополнения и изменения, опубликовали ее под собственными именами. Знаменитая статья «Молекулярная структура нуклеиновых кистот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты», появившаяся в журнале «Nature» 1954 г., вызвала бурный энтузиазм ученого мира. Уотсон и Крик создали логачески неуязвимую модель, ставшую основой для дальнейших исследований. Между тем Розалинда Франклин умерла в 1958 г. от рака в возрасте 37 лет. Нобелевская премия по медицине за открытие структуры ДНК была присуждена в 1962 г. Крику, Уотсону и Уилкинсу.

• 1865 г.: Грегор Иоганн Медель установил законы наследования генетических принципов.
• 1970 г.: Гамильтон О. Смит и Дэниэл Натане заложили основы генной инженерии.
• 1973 г.: в США впервые создана генетически модифицированная бактерия.
• 1976 г.: индийский биофизик Хар Гобинд Корана впервые полностью синтезировал ген.

Чарльз Дарвин, разработчик теории о эволюции живых организмов, все же так и не смог дать ответ на вопрос о том, каким образом происходит закрепление изменений в структуре и функциях организма потомства. Книга Дарвина выходила в печать, когда в Чехии Грегор Мендель уже ставил новые опыты, выводы которых и стали началом дальнейшего развития науки о наследственности.

В Германии в то же самое время работал ученый-зоолог Август Вейсман, сумевший доказать, что некоторые свойства родителей, переходящие по наследству, напрямую зависят от возможности передачи первыми определенного вещества. Как считал Вайсман, данное вещество скрывалось в хромосомах.

Американский ученый Томас Морган также ставил огромное количество опытов. Им и его коллегами были оформлены основные постулаты теории хромосомной наследственности.

Как открыли ДНК

Биохимик Мишер в 1869 году выделил вещество, имеющее свойства некой кислоты. Затем ученый-химик по фамилии Левин смог доказать, что в составе выделенной кислоты имеется дезоксирибоза. Именно данный факт и дал название молекуле ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота. Левиным так же были идентифицированы четыре азотистых основания, которые образовывали состав молекулы.

В 1950-м году биохимик Чаргаф дополнил заключения Левина, когда получил результаты тестов, которые показывали, что в молекуле ДНК, имеющей четыре основания, два из них были равны по своему количеству двум другим.

Структура ДНК

В 1953 году ученые из Кэмбриджа, Уотсон и Крик, объявили, структуру ДНК. Ими было установлено, что данная молекула ДНК - спираль, которая состоит из двух цепочек, которые имеют фосфатно-сахарное основание. Была определена последовательность азотистого основания. Именно она и являлась так называемым кодом для передачи генетической информации. В 1953-м году учеными была опубликована , которая называлась «Молекулярная структура нуклеиновых кислот». В данной статье представлены результаты исследований, которые показывали, что ДНК действительно представляет собой двойную спираль.

Открытие такого уровня было признано учеными всего мира и стало «отправной точной» для дальнейших исследований. В 1962 году Уотсон и Крик получили за свои исследования Нобелевскую премию.

Открытие двойной спирали ДНК

Нуклеиновые кислоты впервые были открыты в ядре человеческих клеток швейцарским исследователем Фридрихом Мишером в 1869 г. В начале XX века биологам и биохимикам удалось выяснить структуру и основные свойства клетки. Было установлено, что одна из нуклеиновых кислот, ДНК, представляет собой чрезвычайно большую молекулу, состоящую из структурных единиц, названных нуклеотидами, каждый из которых содержит азотистые основания.

Морис Уилкинс и Розалин Франклин, ученые из Кембриджского университета, провели рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и показали, что они представляют собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные привели американского биохимика Джеймса Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. Национальное общество по изучению детского паралича выделило субсидию. В октябре 1951 г. в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Уотсон занялся исследованием пространственной структуры ДНК совместно с Джоном К. Кендрю и Френсисом Криком, физиком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.

Спирали ДНК

Уотсону и Крику было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), каждая из которых состоит из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК – урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися и в феврале 1953 г. сделали сообщение о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.

Согласно модели Крика – Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. С помощью этой модели можно было проследить репликацию самой молекулы ДНК. По Уотсону и Крику, две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что очень похоже на расстегивание застежки-молнии. Из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

ДНК выполняет чрезвычайно важную роль, необходимую как для поддержания, так и для воспроизведения жизни. Во-первых, это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из ее цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной цепи, представляют собой так называемый ген. Вторая функция ДНК – передача наследственной информации из поколения в поколение. ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка.

Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 г. «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи». В речи на презентации А.В. Энгстрем из Каролинского института охарактеризовал ДНК как «полимер, составленный из строительных блоков нескольких типов – моносахарида, фосфата и азотистых оснований… Моносахарид и фосфат – повторяющиеся элементы гигантской молекулы ДНК, кроме того, она содержит четыре типа азотистых оснований. Открытием является порядок пространственного соединения этих строительных блоков».

Что изменило это открытие в нашей жизни за прошедшие 50 с лишним лет?

В 1969 г. ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 г. – искусственный ген. В конце XX века стало возможным создание полностью искусственных микроорганизмов. Так, в лабораториях были созданы искусственные бактерии, вырабатывающие необычные для них аминокислоты, а также жизнеспособные «синтетические» вирусы. Ведутся работы по созданию более сложных искусственных организмов – растений и животных.

Изучение структуры и биохимии ДНК привело к созданию методики модификации генома и клонирования. В 1980 г. был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1996 г. на свет появилось первое клонированное млекопитающее – овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны.

В 2002 г. был успешно завершен проект «Геном человека», в ходе которого была создана полная генетическая карта человеческих клеток. И в том же году начались попытки клонирования человека, хотя пока ни одна из них не завершена (по крайней мере, научные данные об успешном клонировании человека отсутствуют).

Еще в 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 г. впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Сейчас полным ходом идет изучение генетических механизмов развития самых разных заболеваний – от рака до артрита – и поиск методов исправления вызывающих их генетических «ошибок». А всего в клинической практике применяется более 350 препаратов и вакцин, при создании которых используется генная инженерия.

Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства (кстати, этот метод стал настоящим подарком для музыкантов, политиков и актеров, которые были вынуждены доказывать в суде свою непричастность к рождению приписываемых им детей), а также для установления личности преступника. Стоит отметить, что о подобной возможности использования ДНК говорил еще сам Джеймс Уотсон, предлагавший создать базу данных, в которую вошли бы персональные структуры ДНК всех жителей планеты, что позволило бы ускорить процесс идентификации преступников и их жертв.

С помощью ДНК можно «ловить» не только преступников, но и, например, наркотики или биологическое оружие. Американские криминалисты используют систему контроля структуры ДНК растений-наркотиков для создания базы данных обо всех разновидностях марихуаны. Эта база позволит отследить источник практически любого образца наркотиков. В скором будущем в США начнут применяться основанные на анализе ДНК методы обнаружения биологических атак – планируется установить в общественных местах специальные датчики, которые будут автоматически «вылавливать» из воздуха опасные микроорганизмы и подавать предупреждающий сигнал.

В 1982 г. была впервые проведена успешная модификация генома растения. А пять лет спустя на полях появились первые сельскохозяйственные растения с модифицированным геномом (это были помидоры, устойчивые к вирусным заболеваниям).

Сейчас с помощью генной инженерии выращиваются практически все продукты питания, особенно такие культуры, как соя и кукуруза. С 1996 года, когда началось коммерческое использование генетически модифицированных продуктов, общая площадь их посевов возросла в 50 раз. Общая площадь посевных площадей под трансгенными культурами в мире в 2005 г. составила 90 млн га. Правда, правительства многих стран запретили выращивание и ввоз таких продуктов, так как ряд исследований показали, что они могут представлять опасность для здоровья человека (аллергия, поражение репродуктивной функции и др.).

Возможность изучения структуры ДНК позволила придать новый импульс историческим исследованиям. Так, например, были идентифицированы останки Николая Второго и его семьи, а также подтверждены и опровергнуты некоторые исторические сплетни (в частности, было доказано, что один из основателей США Томас Джефферсон имел незаконнорожденных детей от чернокожей рабыни).

С помощью анализа ДНК удалось проследить происхождение и людей, и целых народов. Например, было показано, что гены японцев практически идентичны генам одного из племен Центральной Америки. А чернокожие американцы всего за 349 долларов могут узнать, из какого района Африки и даже из какого племени происходили их предки, привезенные на невольничьих кораблях много лет назад.

Что даст нам ДНК в ближайшем будущем? Очевидно, это будет клонирование человека и его органов, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания…