Эпоха ДНК: как одна молекула перевернула наши представления о жизни

25.04.2018 8:57 10

Эпоха ДНК: как одна молекула перевернула наши представления о жизни

МОСКВА, 25 апреля , Татьяна Пичугина. Ровно 65 лет назад британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик разместили статью о расшифровке структуры ДНК, заложив основы новой науки молекулярной биологии. Это открытие изменило очень многое в жизни человечества. рассказывает о свойствах молекулы ДНК и о том, почему она так важна.

Во второй части XIX века биология была совсем молодой наукой. Ученые только приступали к исследованию клетки, а представления о наследственности, хотя и были уже составленным Грегором Менделем, не получили широкого признания.

Весной 1868 года юный швейцарский врач Фридрих Мишер обратился в Университет города Тюбингена (Германия), чтобы заняться научной работой. Он думал узнать, из каких химическое веществ состоит клетка. Для тестов выбрал лейкоциты, которые довольно легко получить из гноя.

Отделяя ядро от протоплазмы, белков и жиров, Мишер обнаружил соединение с большим количеством фосфора. Он назвал эту молекулу нуклеином ( нуклеус на латыни ядро).

Это соединение проявляло кислотные свойства, поэтому возник термин нуклеиновая кислота. Потом выяснилось, что на самом деле это пикантность, но название менять не стали. Приставка дезоксирибо обозначает, что молекула содержит H-группы и сахара.

В начале XX века ученые уже знали, что нуклеин представляет собой полимер (то есть очень длинную гибкую молекулу из повторяющихся звеньев), звенья сложены четырьмя азотистыми основаниями (аденином, тимином, гуанином и цитозином), а нуклеин содержится в хромосомах компактных ультраструктурах, которые возникают в делящихся клетках. Их способность давать наследственные признаки продемонстрировал американский генетик Томас Морган в опытах на дрозофилах.

Модель, объяснившая гены

А вот, что делает в ядре клетки дезоксирибонуклеиновая кислота, сокращенно ДНК, долго не понимали. Считалось, что она играет какую-то структурную роль в хромосомах. Единицам наследственности генам приписывали белковую природу. Прорыв совершил американский исследователь Освальд Эвери, опытным путем доказавший, что генетический материал передается от бактерии к бактерии посредством ДНК.

Стало ясно, что ДНК нужно изучать. Но как? В то время ученым был доступен только рентген. Чтобы просвечивать им биологические молекулы, их приходилось кристаллизовать, а это достаточно сложного. Расшифровкой структуры белковых молекул по рентгенограммам занимались в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Работавшие там юные исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик не располагали собственными исследовательскими данными по ДНК, поэтому они воспользовались рентгенограммами коллег из Королевского колледжа Мориса Уилкинса и Розалинды Франклин.

Уотсон и Крик пообещали модель структуры ДНК, точно соответствующую рентгенограммам: две общие цепочки закручены в правую проволока. Каждая цепочка складывается произвольным набором азотистых оснований, надетых на остов их сахаров и фосфатов, и удерживается водородными связями, протянутыми между основаниями. Причем аденин соединяется только с тимином, а гуанин с цитозином. Это правило называют принципом взаимодополняемости.

Модель Уотсона и Крика объясняла четыре главных функции ДНК: репликацию генетического материала, информационное укладывание генов и их способность мутировать.

Ученые опубликовали свое открытие в журнале Nature 25 апреля 1953 года. Через десять лет им вместе с Морисом Уилкинсом присудили Нобелевскую премию по биологии (Розалинда Франклин скончалась в 1958 году от рака в возрасте 37 лет).

Теперь, более полувека спустя, можно констатировать, что открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии этакую же роль, как в физике открытие атомного ядра. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК привело к рождению новой, молекулярной биологии, пишет Максим Франк-Каменецкий, выдающийся генетик, исследователь ДНК, автор книги Самая главная молекула.

Генетический код

Теперь оставалось узнать, как эта молекула действует. Было известно, что ДНК содержит инструкции для синтеза клеточных рогов, которые выполняют всю работу в клетке. Белки это полимеры, заключающиеся из повторяющихся наборов (последовательностей) аминокислот. Причем аминокислот всего двадцать. Виды животных отличаются друг от друга набором белков в клетках, то есть разными логичностями аминокислот. Генетика утверждала, что эти последовательности задаются генами, которые, как тогда считали, служат первокирпичиками жизни. Но, что такое гены, никто в точности не представлял.

Ясность внес автор теории Большого взрыва физик Георгий Гамов, сотрудник Университета Джорджа Вашингтона (США). Основываясь на модели двухцепочечной спирали ДНК Уотсона и Крика, он предугадал, что ген это участок ДНК, то есть некая последовательность звеньев нуклеотидов. Поскольку каждый нуклеотид это одно из четырех азотистых оснований, то нужно просто выяснить, как четыре элемента кодируют двадцать. В этом состояла идея генетического кода.

К началу 1960-х задали, что белки синтезируются из аминокислот в рибосомах своего рода фабриках внутри клетки. Чтобы приступить к синтезу белка, к ДНК приближается фермент, распознает определенный участок в начале гена, синтезирует копию гена в виде низкой РНК (ее называют матричной), затем уже в рибосоме из аминокислот выращивается лис.

Выяснили также, что генетический код трехбуквенный. Это значит, что одной аминокислоте соответствуют три нуклеотида. Единицу кода назвали кодоном. В рибосоме информация с мРНК читается кодон за кодоном, преемственного. И каждому из них соответствует несколько аминокислот. Как же выглядит шифр?

На этот вопрос ответили Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи из США. В 1961 году они впервые рапортовали свои результаты на биохимическом конгрессе в Москве. К 1967-му генетический код полностью расшифровали. Он оказался универсальным для всех клеток всех организмов, что имело далеко идущие последствия для науки.

Открытие структуры ДНК и генетического кода полностью переориентировало биологические траления. То, что у каждого индивида уникальная последовательность ДНК, кардинально изменило криминалистику. Расшифровка генома человека дала антропологам совершенно новый метод изучения эволюции нашего вида. Недавно изобретенный редактор ДНК CRISPR-Cas позволил значительного продвинуть вперед генную инженерию. По всей видимости, в этой молекуле хранится решение и самых злободневных проблем человечества: рака, генетических заболеваний, старения.

Источник

Следующая новость
Предыдущая новость

Русско-европейская лайка - северный охотник Продажа и установка септиков в Ленинградской области Быстрый подбор и приобретение билетов на любые мероприятия в Москве Гироскутеры по низким ценам Гид по Амурской области онлайн

Последние новости