Жизнь записана четырьмя буквами, а форма ДНК сама выдала, как её копировать

Веками наследственность казалась чем-то туманным: «кровь», порода, сходство с дедом. Даже в середине XX века почти все биологи были уверены, что тайну жизни хранят белки. Но в 1953 году двое молодых учёных в Кембридже собрали из картона и металла модель совсем другой молекулы и увидели в ней сразу текст и способ его переписать. Причём способ копирования оказался встроен в саму её форму.

Наследственность искали не в той молекуле

ДНК открыли задолго до спирали. В 1869 году швейцарец Фридрих Мишер выделил из клеток гноя на больничных бинтах странное вещество, богатое фосфором, и назвал его нуклеином. Молекула выглядела скучной: всего четыре вида звеньев — аденин, тимин, гуанин и цитозин. Биохимик Фебус Левин считал, что они повторяются однообразно, как узор на обоях.

Белки собраны из двадцати аминокислот, и логика казалась железной: сложное наследство должно храниться в сложной молекуле. Первая трещина появилась в 1944 году. Освальд Эвери с коллегами в Нью-Йорке показал, что очищенная ДНК передаёт безвредным пневмококкам свойства опасного штамма. В 1952-м Альфред Херши и Марта Чейз подтвердили, что вирус впрыскивает в бактерию именно ДНК.

Тогда же Эрвин Чаргафф заметил странное равенство: в любой ДНК аденина ровно столько же, сколько тимина, а гуанина — сколько цитозина. Объяснить его никто не мог.

Ключ нашёлся на рентгеновском снимке

В Лондоне, в Королевском колледже, Розалинд Франклин и её аспирант Рэймонд Гослинг просвечивали волокна ДНК рентгеном. В мае 1952 года они получили снимок 51 — чёткий крест из пятен, почерк спирали. В январе 1953-го коллега Франклин Морис Уилкинс показал этот снимок Джеймсу Уотсону, не спросив её.

Уотсону было 24 года, его соавтору Фрэнсису Крику — 36. В Кавендишской лаборатории Кембриджа они не ставили опытов, а складывали чужие данные в модель. В конце февраля Уотсон вырезал основания из картона и двигал их по столу. Вдруг он увидел, что пары аденин–тимин и гуанин–цитозин имеют одинаковую ширину. Они встают между двумя нитями, как ступени винтовой лестницы, и лестница не перекашивается. Равенство Чаргаффа объяснилось само собой, но главное следовало из него дальше.

Форма молекулы сама подсказала, как её копировать

Раз напротив А всегда стоит Т, а напротив Г — Ц, одна нить полностью задаёт вторую. Это как фотонегатив: глядя на него, вы точно знаете, каким будет снимок. Чтобы скопировать молекулу, достаточно развести нити и к каждой достроить пару по тем же правилам. Из одной спирали получаются две одинаковые.

Статья Уотсона и Крика вышла в Nature 25 апреля 1953 года и заняла около страницы. Главное они сформулировали сдержанно, ближе к концу: от их внимания не ускользнуло, что такое спаривание сразу подсказывает механизм копирования генетического материала. Пожалуй, это самое скромное объявление о разгадке жизни. Впервые функцию живого объяснила форма молекулы. Наследственность стала задачей химии, а не загадкой «жизненной силы».

В 1958 году Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь с помощью тяжёлого азота доказали, что каждая новая спираль содержит одну старую нить и одну новую. Оставалось прочитать, что написано этими буквами.

Четыре буквы оказались общим языком всего живого

В 1961 году Маршалл Ниренберг и Генрих Маттеи синтезировали РНК из одних урацилов (так в РНК выглядит тимин) и получили белковую цепочку из одной аминокислоты, фенилаланина. За несколько лет прочитали весь словарь: тройка букв обозначает аминокислоту. Он почти одинаков у бактерии, дуба и человека.

В геноме человека около трёх миллиардов пар букв, а ДНК одной клетки в вытянутом виде длиной около двух метров. Механизм, который увидели на картонках, теперь повторяют в пробирке. В ПЦР, придуманной Кэри Муллисом в 1983 году, нагрев разводит нити, фермент достраивает пары, и за пару часов из нескольких молекул получаются миллиарды. На этом работали тесты на коронавирус. Система CRISPR находит нужное место в геноме по тому же спариванию букв. В 2023 году на её основе одобрили первое лечение серповидноклеточной анемии. Нейросеть AlphaFold предсказывает форму белков по их последовательности, и в 2024 году за неё дали Нобелевскую премию по химии.

Читайте также: Ядро хранит в миллион раз больше энергии, чем огонь. Городу хватило грамма

Код — ещё не вся история

Франклин умерла от рака в 1958 году, в 37 лет. Нобелевскую премию 1962 года получили Уотсон, Крик и Уилкинс, а посмертно её не присуждают. Кроме того, прочитать текст ещё не значит понять его. Большая часть генома не кодирует белки, а то, какие гены работают, зависит от клетки и среды. Геном ближе к партитуре, чем к приговору.

Пока вы читаете эти строки, клетки вашего тела расходятся по швам своих спиралей и достраивают половинки. Каждая повторяет то, что Уотсон однажды увидел на картонках: точная копия получается, когда каждая деталь однозначно задаёт свою пару. Превращать сплошной поток сигнала в читаемый текст умеет не только клетка, этим же занимается расшифровка аудиозаписей.

Ещё в «Высоких технологиях»

Горох из монастырского сада доказал: наследственность цифроваяШум в антенне оказался светом рождения Вселенной. И голуби ни при чёмПод наркозом мозг предугадывает слова. Сознание при этом молчит

Все материалы раздела →