Нобелевские премии. Ученые и открытия - Валерий Чолаков

Создание и развитие генной инженерии, как и любой новой области науки, было результатом деятельности большого числа ученых и групп исследователей. Но всегда среди многих можно выделить лиц, внесших решающий вклад. Вернер Арбер открыл рестриктазы, Гамильтон Смит выделил первые рестриктазы, а Даниэль Натане создал метод выделения генов и провел с помощью рестриктаз полное исследование вирусного генома. За свои замечательные научные достижения трое названных исследователей были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.

В числе основоположников генной инженерии стоит и имя Пола Берга из Станфордского университета. В 1972 г. путем химического воздействия он сумел соединить ДНК двух вирусов, получив молекулярный гибрид. Эта методика оказалась очень полезной, так как дала возможность присоединять различные гены к вирусу, используя его как транспортное средство для проникновения в клетку. Таким образом, возникли предпосылки для создания генных «библиотек». Гены, выделенные из самых различных организмов, могут вводиться в клетки бактерий с помощью фагов или плазмид и размножаться вместе с бактериями. Эти бактерии служат фондом генной «библиотеки», и при необходимости из них всегда можно извлечь ген, представляющий интерес для исследователя. Кроме того, гены, перенесенные в необычную среду, начинают действовать по-иному, и это создает возможность для изучения механизма их регуляции.

Важной проблемой в молекулярной биологии является определение нуклеотидной последовательности в ДНК. Больших успехов в этой области добился Фредерик Сенгер, опытный экспериментатор, который в середине 50-х годов разработал метод определения аминокислотной последовательности белков и в 1958 г. получил Нобелевскую премию по химии за определение структуры инсулина.

В 1965 г. Сенгер начинает в Кембридже (где он постоянно работал) исследование структуры нуклеиновых кислот, в частности первичной структуры (нуклеотидной последовательности). С этой целью использовались меченые атомы, что позволило работать с ничтожно малым количеством экспериментального материала — порядка микрограммов. Исследовалась реакция синтезирования второй комплементарной цепи, меченной радиоактивным фосфором, на матрице однониточной ДНК. Она осуществлялась в ходе четырех параллельно идущих опытов, в которых у каждого нуклеотида прерывался рост цепи. Полученные фрагменты ДНК разделяются с помощью электрофореза, что дает возможность точно определить длину конечного полинуклеотида. В каждом из четырех опытов реакция останавливалась соответственно на аденине, гуанине, цитозине и тимине. Зная фрагменты и число нуклеотидов в них, можно точно определить место каждого из этих оснований в молекуле ДНК.

Этот метод Сенгер с сотрудниками применили в 1977 г. для определения положения 16 500 нуклеотидов в ДНК митохондрий человека. Эти клеточные субстанции, генераторы энергии клетки, имеют собственную ДНК и относительную автономию. Предполагается, что они, как и хлоропласта, произошли от симбиотических микроорганизмов, приспособившихся к жизни в клетке. В группе, руководимой Сенгером, были разработаны и другие методы исследования нуклеиновых кислот, с помощью которых еще в 1967 г. удалось определить нуклеотидную последовательность одного из видов РНК, состоящей из 120 нуклеотидов, а в 1977 г. на двух страницах английского журнала Nature был напечатан петитом список всех 5375 нуклеотидов ДНК фага ФХ174: химическая формула бактериофага.

В 1977 г. Уолтер Гилберт из Гарвардского университета предложил новый метод определения места нуклеотидов, основанный на разрыве ДНК по определенному нуклеотиду. Начало этому методу было положено еще в 1966 г. совместной статьей Гилберта, его сотрудника Э. Максама и советского ученого А.Д. Мирзабекова[28]. Советские ученые внесли значительный вклад в развитие этой методики. А.Д. Мирзабеков, А.М. Колчинский и А.Ф. Мельникова предложили метилировать аденин и гуанин, после чего разрывать ДНК, используя реакции с метилированными соединениями. Гилберт и Максам развили метод и открыли отдельные реакции, которые разрывают ДНК в определенных местах у каждого из четырех оснований. При этом получаются фрагменты, которые исследуются также методом электрофореза.

Предварительным этапом в определении нуклеотидной последовательности является разрезание ДНК с помощью рестриктаз. Образующиеся фрагменты состоят из нескольких тысяч нуклеотидов, которые, в сущности, представляют собой отдельные гены. Так, шаг за шагом раскрывается молекулярная структура ДНК бактерий, растений и животных. Со временем, вероятно, будет определена и нуклеотидная последовательность ДНК человека, для записи которой потребуется, по-видимому, несколько томов. Тогда, быть может, и претворятся в жизнь слова Винера о «передаче человека по телеграфу».

Современные научные исследования — это, как правило, плод коллективного труда. Нобелевская премия, однако, индивидуальна, и ею награждаются лишь главные участники и вдохновители исследований. Пол Берг, Фредерик Сенгер[29] и Уолтер Гилберт были удостоены Нобелевской премии по химии в 1980 г., и это символизировало признание крупных успехов, достигнутых многими учеными в области генной инженерии и молекулярной генетики.

В начале 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещает чудо XXI в., когда человек, вероятно, научится управлять живой материей так же, как сегодня он управляет неживой. Дорогу к этому прокладывают современные опыты по молекулярной рекомбинации ДНК, которые позволяют получать невиданные гибриды и самые неожиданные сочетания генов.

Важные уточнения, касающиеся строения генома, были сделаны американским генетиком Барбарой Макклинток, которая с 1942 г. работает в известной лаборатории Колд Спринг Хабор.

Вся научная деятельность этой исследовательницы связана с генетикой кукурузы. (Следует заметить, что для генетиков это растение является таким же классическим объектом исследования, как и дрозофила.) Барбара Макклинток пыталась выяснить, чем объясняется различный цвет зерен кукурузного початка. После сложных генетических анализов она пришла к выводу, что геном кукурузы содержит подвижный ген — когда он «прыгает» на другое место, подавленный ген, регулирующий окраску, проявляет свое действие, и зерно окрашивается.

Сообщение о том, что в геноме организма имеются элементы с непостоянным местом, вызвало определенный интерес в научных кругах, но в целом специалисты не обратили на него особого внимания. Однако в середине 70-х годов транспозоны были заново открыты — теперь уже методами молекулярной генетики — советским ученым Г.П. Георгиевым[30]. Вскоре экспериментаторы научились выделять подвижные гены «ин витро». Можно сказать, что генетики действительно находятся на пути к «конструированию» живых существ. И начало этой новой области науки было положено более чем 30 лет тому назад на опытном поле Барбары Макклинток, где она выращивала кукурузу. За открытие подвижных элементов генома Б. Макклинток была удостоена в 1983 г. Нобелевской премии по медицине и физиологии.

XIII. ФИЗИОЛОГИЯ

В первые годы после основания Нобелевского фонда одно имя часто называлось в списках кандидатов в лауреаты, подготавливаемых Каролинским институтом, — Иван Петрович Павлов, профессор Института экспериментальной медицины в Петербурге. Выдающийся русский ученый приобрел широкую известность благодаря своим новаторским исследованиям в физиологии.

Считается, что работы Павлова открыли новую эру в развитии этой науки. Его основным методом был так называемый хронический эксперимент. Цель его опытов — путем минимального вмешательства в деятельность организма высших животных исследовать функции различных органов и систем. Павлов разработал и усовершенствовал методы хирургических операций, посредством которых производилось наложение фистул на пищеварительные железы. Подопытные животные после операции долго сохраняли свою жизнеспособность, что позволяло всесторонне исследовать физиологию их пищеварительной системы. Это было исключительно важно, так как до работ Павлова было мало что известно о процессах пищеварения.

Разнообразные методы исследования, применяемые сотрудниками Павлова, способствовали быстрому получению данных относительно работы органов пищеварения. Искусственные отводы от слюнных желез, желудка и других органов системы пищеварения дали возможность исследовать секрецию желудочного сока и проводить его химический анализ. Наряду с этим были изучены моторные функции и нервная регуляция пищеварительной системы. Это было новое слово в физиологии, поскольку прежде большинство ученых и не предполагали, что нервная система играет какую-то роль в процессах пищеварения. Развивая в дальнейшем это направление, Павлов сделал крупный вклад в нейрофизиологию.