Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК: читать начало книги онлайн

Благодаря репутации и харизме Моргана «Мушиная комната» быстро превратилась в настоящий магнит, который в следующие 15 лет притянул к себе множество потрясающих молодых умов и несколько необыкновенных личностей. Кэлвин Бриджес был тихим рационализатором[138], заменившим старую добрую ручную лупу Моргана бинокулярным микроскопом, а любимое мухами банановое пюре – менее зловонным питательным агаровым желе. Его творческий потенциал выходил за пределы «Мушиной комнаты». Дома он разрабатывал дизайн «Жука» – принципиально нового автомобиля с глянцевой поверхностью, который обладал аэродинамическими характеристиками снаружи и был эргономичным внутри. Неугомонность его тела, как и ума, также опередила время. За 40 лет до бурных 60-х Бриджес был приверженцем концепции (и, в особенности, практики) свободной любви.

Одним из первых членов группы был также Герман Мёллер, отличавшийся блестящим умом, но вздорным характером[139], который странно смотрелся в братстве «Мушиной комнаты», жившей по принципу «один за всех, все за одного». Затаив обиду на Моргана за то, что тот не признавал его личных достижений, Мёллер потерпел пару лет, а потом переехал в Техас. Это было первым шагом в кочевой научной карьере, в течение которой он позднее несколько раз пересек Атлантический океан и вовремя успел сбежать как из Берлина (от Гитлера), так и из Москвы (от Сталина).

Моргану каким-то образом удалось сочетать работу и семейную жизнь, но другие были менее успешны. Дочь Кэлвина Бриджеса Бетси позднее описывала его как «довольно странного парня, которому тяжело давался отрыв от работы» и который поздно приходил домой ужинать с мухами в носках. Она описывает впечатление от лаборатории со стороны[140], вспоминая посещение этого инопланетного места в десятилетнем возрасте: «темная, захламленная, провоцирующая клаустрофобию, вонючая».

Внутри кокона «Мушиной комнаты» такие чувства не вызывали интереса. «Было важно, чтобы работа шла вперед», – писал Бриджес. И это им удалось обеспечить с необыкновенным успехом.

Мутации (дословно «изменения») давно признавались у людей и одомашненных животных. Примечательным примером у человека является «габсбургская губа», выступающая вперед нижняя челюсть, которая была свойственна одноименному аристократическому роду с XV века. Кроме этого, аномалии пальцев ног или рук – дополнительные или недостающие пальцы или «расщепленная кисть» – подобным образом появлялись ни с того ни с сего и переходили к потомству. Некоторые мутации у животных специально использовались в селекции, например короткие лапы у такс и короткие ноги у анконских овец, которые позволяли первым залезать в нору вслед за барсуком и не давали вторым сбежать на свободу через низкую ограду.

У дрозофил мутации могли затрагивать все аспекты анатомии и физиологии[141], но Моргана и его команду интересовал только внешний вид насекомых. Приведенных в бессознательное состояние запахом эфира мух можно было рассматривать в бинокулярный микроскоп на предмет красноречивых аномалий, указывающих на мутации. У нормальных (диких) дрозофил серое тельце с блестящим черным брюшком, яркие красные глаза и прямые крылышки, аккуратно сложенные на спине. У некоторых мутантов тельца черные или желтые, а не серые; или глаза цвета сепии, розовые, белые или бесцветные; крылышки меньше обычного («рудиментарные» и «миниатюрные») или неправильной формы («сморщенные» и «раздвоенные»).

Первоначально Морган просто вел журнал наблюдений и ждал, пока мать-природа приведет к появлению мутаций, чтобы он мог их изучать. Это был медленный процесс. Через два года исследований понурый Морган стоял перед своими полками, заставленными жужжащими бутылками из-под молока, и жаловался, что попросту теряет время.

Позднее он стал подталкивать мать-природу, подвергая мух воздействию неблагоприятных условий – экстремальных температур, токсичных химикатов, ультрафиолетовому излучению и облучению радием – в надежде провоцировать мутации. Мощное рентгеновское излучение, впервые примененное Германом Мёллером, оказалось наиболее эффективным способом и значительно увеличило как частоту (более чем в 150 раз), так и разнообразие появляющихся мутаций. В журнале Scientific Monthly позднее появилось драматичное описание[142] доходившей до потолка рентгеновской трубки, которая справлялась со своей работой всего за три секунды: «Резкий шипящий звук едва проникал сквозь свинцово-бетонные стены, когда электрическое пламя с напряжением в миллион вольт с грохотом ударилось о межэлектродный зазор». В результате такой процедуры в духе Франкенштейна появились сотни новых мутантов, в том числе мухи без глаз, или без крыльев, или с двумя телами, или с лапкой на месте усика. Был даже печальный аналог таксы; у мух с «таксовой» мутацией были такие короткие лапки, что они не могли пить и умерли от обезвоживания.

Морган достиг первых успехов в начале 1910 года, когда появился самец мухи[143] ни с того ни с сего с белыми глазами, резко отличавшими его от красноглазых товарищей. Белоглазой мухе пришлось соперничать с другим новорожденным – первенцем Моргана, недавно появившимся на свет и все еще находящимся в больнице вместе со своей мамой Лилиан. Морган безраздельно посвятил ему[144] все свое внимание; он находился в безопасности в своей детской-пузырьке и постоянно был с ним (даже в постели), пока не прошло его недельное детство и он не был готов к размножению. Чем он был рад заняться и что дало поразительные результаты. Что удивительно, все его потомки с белыми глазами были также самцами. Более того, пропорция белоглазых мух среди внуков белоглазого самца, скрещенного с красноглазой самкой, составляла 25 % – точно такое же количество, что и рецессивный «элемент» в опытах Менделя с горохом.

Это было чрезвычайно интересно для Моргана, но ставило его в очень неловкое положение как ярого противника менделизма. Налицо было четкое подтверждение[145], что «объяснения» Менделя применимы также и к животным. Что еще хуже для отрицателя хромосом, результаты ясно указывали на физическое обиталище эфемерных «элементов» Менделя. Поскольку белые глаза появлялись только у самцов, ответственный за признак фактор должен был находиться в отличительной X-хромосоме, которая отвечала за мужской пол у дрозофил.

Группа быстро выявила еще мутации – недоразвитые «миниатюрные» крылья и желтый цвет тельца, – которые затрагивали только самцов и, таким образом, также были связаны с хромосомой, определяющей пол. В отличие от этого, другие мутации (например, черный цвет тельца и «рудиментарные» крылышки) не были сцеплены с полом, что указывало, что они затрагивали разные хромосомы. Собрание мутаций[146] стремительно возрастало, с 12 в 1913 году до 200 в 1915 году и 500 всего четырьмя годами позднее.

Команда Моргана занималась гораздо большим, чем простой каталогизацией странностей в параде мух-уродцев. От подтверждения, что конкретная мутация затрагивает лишь одну хромосому, они перешли к тому, что связали мутацию с определенным физическим расположением этой хромосомы. Они начали с изучения совместного наследования различных мутаций, затрагивавших только самцов, аккуратно скрещивая огромное количество мутантов и изучая их детей и внуков. Некоторые сочетания мутаций (например, белые глаза и желтое тельце) часто наследовались совместно, в то время как другие (например, «миниатюрные» крылья) не склонны были появляться вместе с этими признаками. Морган и Стёртевант предположили, что мутации, которые часто наследовались совместно, должны были располагаться рядом друг с другом в одной хромосоме, а наблюдающиеся по отдельности должны были находиться поодаль.

Их гениальной находкой было превратить частоту совместного наследования определенных генов в меру расстояния, отделявшего их друг от друга. Исходя из этих измерений, они начали составлять схему расположения мутаций друг относительно друга, как станции на прямом отрезке железной дороги, на каждой из четырех хромосом. Слава этого открытия принадлежит Стёртеванту, который предложил эту идею и разработал проект карты[147] во время героического мозгового штурма, продолжавшегося всю ночь. Это тем более удивительно, если учесть, что он был 19-летним студентом, которому следовало бы заканчивать студенческий проект, сдачу которого он задерживал.

Их первые хромосомные «карты» были примитивны. В 1913 году Стёртевант сообщил о «линейном расположении шести факторов»[148] на хромосоме, определяющей пол. С этой точки они начали постоянно накапливать новые детали. Именно здесь в дело включился высокий деревянный столб с квадратным сечением (изобретение Бриджеса). Каждая сторона «Тотемного столба»[149] изображала одну из четырех хромосом дрозофилы, на нее была нанесена вертикальная шкала, соответствующая длине хромосомы. Когда выявлялась новая мутация и определялось ее расположение, на шкалу прикреплялась канцелярская кнопка с кодом мутации.

К этому времени Морган на основании доказательств кардинально сменил свою точку зрения и стал горячим поборником Менделя и хромосом. В январе 1912 года он признал, что, по-видимому, хромосомы являются «носителями наследственного материала»[150]; в 1915 году он принес публичное покаяние в своих прежних грехах в книге «Механизм менделевской наследственности», написанной им самим, Стёртевантом, Бриджесом и Мёллером. Эта эпохальная книга[151] моментально стала «библией» в своей области.

Достижения «Мушиной комнаты» были чрезвычайны. Морган пользовался теми же инструментами, что и Мендель: увеличительное стекло, чтобы видеть яснее, ручка и бумага, а также воображение, переносившее его в места, где никто не был до него. Планы хромосом, составленные его командой, представляли собой чисто математические схемы, разработанные путем подсчета необычных внешних характеристик у миллионов мух. Эта работа обеспечила первое доказательство, что гены – их положение отмечалось мутациями, которые вызывали видимые фенотипические изменения, – располагаются в фиксированной линейной последовательности вдоль хромосом, словно бусины, нанизанные на нить.

И хотя Морган никогда не предпринимал каких-либо попыток самому заняться их изучением, его работа помогла сосредоточить внимание на следующем большом вопросе:

А что такое, собственно, ген? И из чего он состоит?

Глава 6

«Кирпичики»

В 1900 году казалось, что все складывается хорошо для протонуклеина, нового чудо-лекарства[152], которое – по свидетельствам медиков – смогло бы спасти жизнь Фридриху Мишеру. Протонуклеин шел нарасхват в виде таблеток (100 штук за $1) или порошка (8 унций (226 грамм) за $7,50), который можно было насыпать на раны, втереть в опухоли или вдуть в больные легкие при помощи специального испарителя ($1,50). На ярлычке характерной склянки говорилось, что протонуклеин получают из «различных желез, особенно богатых ядерным материалом, в том числе: зобной, щитовидной, лимфатической, селезенки, шишковидной, питуитарной». Пуристов может удивить, что селезенка попала в перечень желез, но это не имеет значения.

Казалось, что нет конца списку, когда он может употребляться. Он сотворил «чудо» для несчастного пациента с раком печени («13 кист, наполненных материалом, который напоминал недоваренный крахмал и весил 36 фунтов (16 кг)»). Д-р Д. У. Бун из Беллера, штат Огайо, сообщал о «превосходных результатах» у пациента с импотенцией, но отказался назвать счастливчика. Еще одно чудесное действие было открыто случайно, когда протонуклеин дали, чтобы подбодрить пациентов, которые, как ожидалось, не выживут после операции. «Таким образом, – загадочно писал анонимный доктор, – я узнал об эффективности протонуклеина в качестве афродизиака».

В Европе у веществ, получаемых из ядра клетки, были менее впечатлительные поклонники. Из Базеля ничего не было слышно. Запечатанные стеклянные трубки со сделанной рукой Мишера надписью «Нуклеин» лежали забытыми в заброшенном углу его бывшей лаборатории. До последнего момента он полагал, что нуклеин был ничего не значащим веществом и что его исследования умрут вместе с ним. Нуклеин был наиболее трагической случайностью среди «ослабляющих и препятствующих факторов», которые подорвали карьеру Мишера. А пока его собственный интерес и энергия угасали, первое и величайшее открытие, сделанное им, утекло сквозь пальцы в руки других. И очень скоро Нобелевскую премию за нуклеин получил кое-кто другой.

Альбрехт Коссель родился в 1853 году, через девять лет после Мишера, в ганзейском портовом городе Ростоке. На протяжении всей жизни[153] он гордился местом своего рождения, и Балтийское побережье северной Германии никогда не утратило для него притягательности. Начало карьеры Косселя вполне можно было бы считать повторением истории Мишера. Он окончил факультет медицины в Ростоке в 1877 году, но не стал практикующим врачом; попав под очарование харизматичного учителя во время первоначального медицинского обучения в Страсбурге, он отправился прямиком в лабораторию, чтобы посвятить себя физиологической химии. Человеком, заставившим Косселя отклониться от намеченного курса, был неутомимый Феликс Гоппе-Зейлер, несколькими годами ранее ворвавшийся на кафедру химии в Страсбурге.

Гоппе-Зейлер усадил недавнего выпускника за работу над интересным веществом, которое было открыто почти десять лет назад тем многообещающим молодым студентом в Тюбингене. После первого года работы в качестве ученика биохимического волшебника Коссель написал обращающую на себя внимание работу, предвещавшую ему блестящее будущее. В этом месте карьеры двух подающих надежды учеников Гоппе-Зейлера начали расходиться. Мишер сжег себя на работе, а Коссель восходил от силы в силу.

В первой большой работе Коселя (1878 год) сообщалось о находке, которая была достаточно поразительна в то время, но полное значение которой оценили лишь полстолетия спустя. Ему удалось извлечь нуклеин не из клеток гноя или молок лосося, а из дрожжей – организма, который лишь чуть более сложен, чем бактерии. Сначала он предположил, что «дрожжевой нуклеин»[154] идентичен содержащемуся в животных тканях, но позднее Коссель показал, что между ними имеется едва заметное принципиальное различие.

Затем Коссель начал исследовать нечто, не заинтересовавшее Мишера: каким образом скомпонован нуклеин. Мишер вывел формулу нуклеина как C₂₉H₄₉N₉O₂₂P₃, но она не дает никакого представления об его структуре – все равно что пытаться угадать, что изображено на картине, зная только, сколько тюбиков каждой краски использовал художник. Мишер исчерпал запас сил, даже не попытавшись ответить на важнейший вопрос: как эти 112 организованы в пространстве.

Это положило начало пожизненному увлечению Косселя «кирпичиками» биохимии – маленькими простыми веществами, которые клетка объединяет в сложные молекулы, лежащие в основе жизненных процессов. Например, кирпичиками для белков были аминокислоты, которых тогда было известно 15. Полагали, что белки состоят из большого количества соединенных вместе аминокислот, хотя все еще требовалась недюжинная вера, чтобы принять тот факт, что цепочка таких непритязательных соединений способна построить столь величественное здание, как гемоглобин.

Коссель поставил перед собой задачу разложить нуклеин на составные элементы, точно так же, как другие разбили белки на густой суп аминокислот. Путем кипячения дрожжевого нуклеина или нагревания в течение двух недель в закупоренной стеклянной трубке с бариевыми солями его удалось разбить на два простых органических соединения[155] (ксантин и гипоксантин), каждый из которых принадлежал к химической семье, известной как «основания». Эти эксперименты позволили Косселю написать авторитетную книгу[156] «Исследования нуклеина и продуктов его расщепления» (1881 год), в результате которой он получил престижный пост директора химии в Институте физиологии в Берлине.

Здесь он собрал активную исследовательскую группу и с помощью местной бойни продолжил атаку на нуклеин. Определенные ткани животных оказались богатым источником нуклеина, хотя работа продвигалась медленно. В 1885 году Коссель вскипятил в кислоте нуклеин, полученный из поджелудочной железы, и выделил два основания. Одно было уже известно[157]: гуанин, названный по птичьему помету, из которого он впервые был получен. Второе было новым для науки, и он назвал его аденином[158] – по поджелудочной железе (от греческого обозначения железы).

Прошло еще восемь лет, пока бойня принесла на алтарь науки новое сокровище – субпродукт, расположенный глубоко внутри шеи теленка. Мясники называют его «шейное сладкое мясо», для ученых это «тимус». Повара могут приготовить из него поразительно изысканные блюда, но тимус лучше смотрится под микроскопом, чем на обеденной тарелке: он битком набит лимфоцитами с массивными ядрами. В следующие несколько лет тимус оправдал ожидания от этих ядер. Из тимусного нуклеина ученик Косселя Альберт Нойманн получил еще два основания, оба неизвестные ранее. Они с Косселем назвали их «тимин» и «цитозин» (от греческого «клетка»)[159].

[138] Morgan T. H. Biographical Memoir of Calvin Blackman Bridges, 1889–1938. Washington DC: Natl Acad Sci, 1940, p. 29–48.

[139] Carlson E. A. Hermann Joseph Muller, 1890–1967. Biographical Memoir. Washington DC: Natl Acad Sci, 2009, p. 7–9.

[140] http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/36594/title/A-Fly-on-the-Wall/.

[141] Morgan 1922.

[142] Popular Scientific Monthly, Sept 1934, p. 16.

[143] Henig, p. 242.

[144] Самцу мухи.

[145] Morgan 1910.

[146] Кэлвин Бриджес основал Службу информации по дрозофилам (Drosophila Information Service) в 1934 году; см. Morgan T.H. CB Bridges, p. 37–8. На данный момент описаны тысячи мутаций, в том числе dropdead (запрограммированная смерть нервной системы), dissatisfaction (отсутствие интереса к половой жизни) и политически неверная cheapdate (повышенная восприимчивость к спирту).

[147] Mawer, p. 113.

[148] Sturtevant 1913.

[149] Popular Scientific Monthly, Sept 1934, p. 16.

[150] Письмо Моргана Хансу Дришу в Неаполь, январь 1912 года. Benson K. R. T. H. Morgan’s resistance to the chromosome theory. Nat Reviews Genetics 2001; 2:469–474.

[151] Morgan, Sturtevant, Muller & Bridges, 1915.

[152] Carnrick J. Protonuclein. Clinical Records. Taken from reports of prominent practitioners in hospital and private practice, together with a summary of the therapeutic use and mode of administration. New York: Reed & Carnrick, 1895.

[153] Jones M. E., p. 80–4.

[154] Kossel 1879.

[155] Portugal & Cohen, p. 59.

[156] Kossel A. Untersuchungen über die Nukleine und ihre Spaltungsprodukte, 1881; Jones M. E., p. 84.

[157] Kossel 1884.

[158] Kossel 1885.

[159] Kossel & Neumann 1893, 1894.