Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле

19 сентября 1957 года Крик прочел лекцию в Университетском Колледже Лондона. В следующем году он издал ее под названием “О синтезе белка” (On Protein Synthesis)^[128]. Это заглавие отсылает к тезису Дарвина об эволюции и интересно само по себе, даже в отрыве от гениальности идеи Крика^[129].

Следуя примеру Гамова, Крик, в общем, не слишком интересовался по-прежнему неизвестной химией синтеза белка, рассматривая вместо этого поток информации как таковой. Он предположил, что информация хранится в ДНК и зашифрована в ее последовательности. Благодаря этому она каким-то образом может быть “переведена на другой язык”, язык аминокислот. Свою идею о переносе информации от ДНК к белку – но не обратно! – Крик назвал “центральной догмой”. Позже он сожалел об этом, потому что “догма” означает нечто, что невозможно подвергать сомнению. Крик признал, что не вполне понимал значение этого слова.

Вдобавок Крик предложил еще и верную последовательность событий при синтезе белка. Вначале некоторый ген копируется с ДНК в форму РНК, которая переносит информацию к рибосоме. Затем рибосома создает сам белок, используя эту РНК-инструкцию. Крик полагал, что аминокислоты собираются непосредственно на РНК-“матрице”. Но каким образом каждая из них узнает, где ей следует оказаться? В качестве решения ученый предположил, что есть особый тип РНК, названный им “адапторная РНК”. Каждая из аминокислот имеет соответствующую ей адапторную РНК, которая присоединяется к РНК-матрице за счет спаривания соответствующих нуклеотидов, почти как в ДНК. В результате аминокислоты образуют цепочку со строго заданной последовательностью.

Удивительно, насколько прозорливым оказался Крик. Примерно тогда же, когда он читал свою лекцию, ученые из Гарвардского университета выделяли ту самую адапторную РНК. Позднее ее стали называть также транспортной^[130]. Каждая транспортная РНК представляет собой только одну цепочку, имеющую форму листа клевера. В полном соответствии с предположением Крика оказалось, что различные транспортные РНК переносят разные аминокислоты.

Спустя четыре года после лекции Крика была открыта еще одна форма РНК. Эта молекула переносит копию гена и служит матрицей, с помощью которой рибосома взаимодействует с целым рядом транспортных РНК и благодаря этому синтезирует белок. Эту молекулу назвали “матричная РНК”: ее описали одновременно две исследовательские группы, в одной из которых работал Уотсон^[131].

Теперь все встало на свои места. Для синтеза определенного белка соответствующий ему ген сперва оказывается “переписан” в форму матричной РНК. Эта новая молекула перемещается к рибосоме, где используется в качестве матрицы для синтеза белка. Аминокислотные остатки оказываются выстроены в единую цепочку благодаря транспортным РНК, связанным с матричной РНК по принципу комплементарного соответствия. Наконец, рибосома соединяет эти аминокислоты в одну молекулу.

Итак, нам стали известны молекулярные механизмы синтеза белка.

Однако расшифровать смысл последовательности ДНК не получалось целых восемь лет. Иными словами, никто не знал, какая именно последовательность азотистых оснований соответствует той или иной аминокислоте. Также было невозможно предсказать, какая часть ДНК может кодировать определенный белок. Люди еще не владели языком ДНК. Крик и другие выдающиеся ученые безуспешно бились над этим вопросом до тех пор, пока в дело не вмешались двое исследователей со стороны, которые и решили данную проблему.

Эксперимент, позволивший прочитать первое “слово” ДНК, разработал Маршалл Ниренберг из Национального института здоровья США в Бетесде, штат Мэриленд. Он не просто не входил в элитный круг исследователей генетического кода – была отклонена даже его заявка на участие в посвященной этому вопросу конференции. 27 мая 1961 года коллега Ниренберга, Генрих Маттеи, приступил к эксперименту. Он получил РНК из оснований всего одного сорта, поскольку такие проще синтезировать. Маттеи выбрал урацил (U), так что его РНК имела последовательность вроде UUU или UUUUUUUUUUU. Когда он “скормил” ее рибосоме в пробирке, та выдала белок, состоящий из единственной аминокислоты: фенилаланина. Стало понятно, что именно последовательность повторяющихся U кодирует данную аминокислоту. А поскольку Гамов оказался прав насчет соответствия трех оснований одной аминокислоте, то можно было говорить и более конкретно: фенилаланину соответствовал код UUU.

Свои результаты Ниренберг и Маттеи опубликовали в следующем году, и после этого началась увлекательная гонка за расшифровкой остальных 63 триплетов (которые с 1963 года стали также называть “кодоны”^[132]). К 1967 году значение всех 64 кодонов было установлено^[133].

Расшифровка генетического кода была кульминацией двух десятилетий эпохальных, поистине революционных научных достижений. Пройдя путь от модели структуры ДНК и открытия рибосом, через матричную и транспортную РНК – и до “взломанного” генетического кода, биохимики проникли в суть самых важных процессов, лежащих в основе всего живого. Позднее исследователи научатся еще и читать полные последовательности ДНК – геномы, принадлежащие сотням различных видов живого, не исключая и человека. Они откроют гены, являющиеся виновниками болезней, и создадут генетически модифицированные организмы, среди которых будут и люди с “отредактированной” ДНК. Результаты этой “революции ДНК” мы видим и по сей день.

Однако самый первый результат проявился сразу… во всяком случае должен был проявиться. Для всех исследователей зарождения жизни этот каскад открытий стал даже не разорвавшейся бомбой, а ковровой бомбардировкой. Клетки оказались не просто пузырьками с бесформенным желеобразной протоплазмой, а сложными изощренными машинами – “конвейерами по сборке белков”, которые используют специальные молекулы-“чертежи”.

Но этим дело не ограничилось. Как мы увидим в главе 10, клеткам необходим ряд химических реакций для извлечения энергии из окружающей среды – это и есть “метаболизм”. Даже самые простые метаболические пути включают множество шагов. Есть у клеток и подобие внутреннего каркаса. Первым его существование предположил еще в 1903 году Николай Кольцов^[134], а к 1990-м стало понятно, что подобной арматурой снабжены даже бактерии. Вдобавок выяснилось, что внешние мембраны клеток – это не просто барьеры. По ним разбросано множество крупных молекул, которые избирательно переносят нужные клетке химические вещества внутрь и выбрасывают прочь ее “отходы”.

Таким образом, даже самая простая клетка – это чрезвычайно сложное устройство. В ней взаимодействуют между собой сотни^[135] генов, создавая и контролируя множество динамичных компонентов. Подобная сложная система явно не могла возникнуть одним махом, шансы на это стремятся к нулю. Кроме того, многие компоненты попросту незаменимы: без рибосом, к примеру, клетке никак не прожить.

Однако тогда это понимали лишь немногие исследователи зарождения. Среди них – Джон Десмонд Бернал. Как и Холдейн, он был коммунистом и человеком с потрясающим творческим потенциалом, чьи научные интересы простирались от изучения кристаллов до зарождения жизни. А еще он участвовал в создании плана высадки в Нормандии. Кстати, именно Бернал принял на работу Розалинд Франклин, когда та покинула Королевский колледж Лондона.

Бернал не смог приехать на конференцию 1963 года, во время которой встретились Холдейн и Опарин, однако же прислал ее участникам свое эссе, где содержалось суровое предостережение:

Нам приходится сталкиваться с гораздо большими трудностями, чем предполагалось ранее, поскольку сейчас, когда уже кое-что известно о механизмах копирования нуклеиновых кислот и сложных этапах синтеза белков-ферментов, становится все более ясно, что число необходимых этапов зарождения жизни куда больше, чем мы могли подумать. Однако замечательное совершенство биологических процессов препятствует пониманию того, каким образом они могли возникнуть спонтанно и одновременно с выполняемыми ими функциями^[136].

Чего недоставало тогда науке о зарождении жизни, так это нестандартного мышления. И его продемонстрировал шотландский химик по имени Грэм Кернс-Смит.

Глава 5 Кристально ясно

Недавно умерший Грэм Кернс-Смит (1931–2016) – это, пожалуй, самая необычная фигура во всем нашем повествовании. В сообществе исследователей зарождения жизни его идеи занимают особое место. Хотя они и весьма причудливы, это не повод их полностью игнорировать. Наиболее важные труды Кернс-Смита относятся к 1960-м годам, но во многих отношениях они опередили свое время на десятилетия. При чтении статей Кернс-Смита возникает смутное ощущение, что истина где-то рядом.