Валерий Чолаков
Нобеловите награди (49) (Учени и открития (1901–1982))

Информационни молекули

В края на 1968 г.^[1] швейцарският лекар Фридрих Мишер изолира от клетъчни ядра неизвестно вещество, на което даде името нуклеин. Приблизително по същото време Грегор Мендел се мъчеше да убеди учения свят в значението на своята работа. До средата на нашия век никой не предполагаше, че тези две открития ще се окажат толкова свързани. Работата на Мендел остана забравена до 1901 г., а резултатите на Мишер бяха подробно публикувани едва след смъртта му в 1890 г. Малко преди това, в 1889 г., немският химик Р. Алтман въведе термина нуклеинови киселини.

Мишер изпрати своите резултати на известния изследовател Ф. Хопе-Зайлер за публикуване. Те бяха толкова необикновени, че този голям учен не повярва на Мишер и нареди на сътрудниците си да направят проверка. Това забави с две години излизането на статията, озаглавена „За химическия състав на гнойните клетки“, в която Мишер описваше откритието си.

В 1879 г. в лабораторията на Хопе-Зайлер пристигна Албрехт Косел. За едно десетилетие той изолира основните съставки на нуклеина — азотсъдържащите вещества аденин и гуанин, фосфорна киселина и съединения от групата на въглехидратите. Работите на Косел върху нуклеиновите киселини бяха една от причините той да получи Нобеловата награда по медицина и физиология за 1910 г.

До 40-те години на нашия век изследването на нуклеиновите киселини се разглеждаше като доста скучна работа и, общо взето, задънена улица в биохимията. Това продължи до 1944 г., когато Ейвъри, Маклеод и Маккарти установиха, че дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) е носител на наследствената информация.

Това е едно от най-големите открития в съвременната биология. Неговата история започна в 1928 г., когато Грифит смеси невирулентни пневмококи с убити болестотворни микроби от същия вид. Той забеляза, че става някакво взаимодействие, в резултат на което живите микроорганизми придобиват вирулентни свойства. В 1944 г. Ейвъри и неговите сътрудници повториха този експеримент, като използваха чиста ДНК и получиха същата трансформация. Това беше убедително доказателство, че нуклеиновата киселина носи белега за вирулентност и въобще всички наследствени белези.

Новината, че нуклеиновите киселини имат такава важна функция, веднага привлече към тях вниманието на голям брой учени. В 1948 г. с тях се зае известният английски химик Александър Тод. В продължение на 10 години той изследва подробно първичната структура на нуклеиновите киселини и установи начина, по който се свързват четирите азотни бази аденин, гуанин, цитозин, тимин (в РНК вместо тимин има урацил) с петатомния пръстен на захарта рибоза или дезоксирибоза и молекула фосфорна киселина. Комплексът от една азотна база с пентоза и фосфорна киселина се нарича нуклеотид. Тези сложни съединения, освен че изграждат нуклеиновите киселини, участвуват и в състава на ензимите като активни групи — коензими. За изследванията си върху нуклеотидите Александър Тод получи Нобеловата награда по химия за 1957 г.

Още в 1938 г. Астбери, авторът на термина молекулярна биология, направи със своя сътрудник Ф. Бел рентгенограми на ДНК и установи, че азотните бази в тази дълга молекула трябва да са подредени като пластинки една над друга. Едно десетилетие по-късно Чаргаф показа, че общото количество на гуанина и аденина, които са от групата на пурините, е равно на количеството на цитозина и тимина от групата на пиримидините. Двата типа съединения се различават по формата и размера на своите пръстеновидни структури. Тези данни бяха много важни за работата на Френсис Хари Комптън Крик и Джеймс Дюи Уотсън в Кавендишката лаборатория на Кембриджкия университет.

През май 1951 г. Уотсън, млад изследовател, ученик на Салвадор Луриа, се срещна в Копенхаген с Морис Уилкинс от Лондонския университет и видя неговите рентгенограми на кристали ДНК. Това силно го заинтригува и за негово щастие Луриа успя да му уреди да работи при Джон Кендрю в Кавендишката лаборатория. По онова време Перуц, Кендрю и мнозина други се занимаваха с рентгеноструктурен анализ на сложни биомолекули, използвайки методите на Бернад и Ходжкин и първите още несъвършени компютри. В Кембридж Уотсън се срещна е Френсис Крик. Двамата намериха общ език и скоро си поставиха амбициозната задача да разкрият структурата на ДНК. През 1952 г. с този въпрос се занимаваха в Лондонския университет Розалин Франклин и Морис Уилкинс. Те имаха доста добри рентгенограми, но не беше ясно как да ги интерпретират. Редица изследователи, между които известният Полинг, се опитваха да решат този въпрос, но без особен успех.

Цялата история около разкриването на структурата на ДНК бе описана от Уотсън в неговата забележителна книга „Двойната спирала“, издадена през 1968 г. В нея той споменава за поредицата щастливи обстоятелства, помогнали на него и на Крик първи да разгадаят структурата на ДНК. Едно от тях бе тясното съседство със специалисти от други области. В разговор с химици Уотсън научи, че структурните формули, които използваха двамата с Крик, както и техните конкуренти от Лондон, са доста схематични и едва ли отговарят на истината. След като разбраха какъв е истинският строеж на пурините и пиримидините, Уотсън и Крик установиха, че те добре се свързват помежду си и ако се приеме, че молекулата на ДНК се състои от две нишки, това вече добре обясняваше и правилото на Чаргаф. Нишките трябваше да бъдат усукани, за да се запазят ъглите между различните атомни групи, и така се появи структурата на знаменитата двойна спирала, в която свързаните помежду си пурини и пиримидини са подредени като стъпалца на стълба.

Още в първото си съобщение от 1953 г. Крик и Уотсън заявиха, че двойноспиралната структура на ДНК обяснява много добре как тази молекула може да се размножава. Когато двете нишки се разделят, към тях могат да се прикрепят нови нуклеотиди и до всяка от старите нишки се образува нова, която точно й съответствува. Това бе забележително откритие. За първи път бе намерена структура, която може да се самовъзпроизвежда и по този начин да осъществява основната функция на живота. Великолепните изводи на Уотсън и Крик не биха били възможни без прецизните рентгенограми на Розалин Франклин и Морис Уилкинс. Откривателите на знаменитата двойна спирала, върху която е записана информацията за живота, станаха Нобелови лауреати през 1962 г. Физиците Крик и Уилкинс и биохимикът Уотсън получиха наградата по медицина и физиология за техните открития във връзка със структурата на нуклеиновите киселини и нейното значение за преноса на информация в живото вещество. Розалин Франклин не можа да се присъедини към тях. Тя почина в 1957 г.

Наред с химическите и физическите изследвания на нуклеиновите киселини през 40-те и 50-те години се правеха опити и за изясняване на механизма на техния биосинтез. В 1946 г. в Нюйоркския университет се срещнаха Северо Очоа, баск от Испания, и Артър Корнбърг от Бруклин и така започна едно дълго сътрудничество с плодотворни резултати. Очоа работеше с РНК от бактерии, предизвикващи оцетнокисела ферментация, а Корнбърг — с ДНК от известната коли-бактерия, обитателка на човешкия храносмилателен тракт. Те успяха да открият ензими, които изграждат дългите вериги на тези биополимери. Достатъчно беше в подходяща среда да се сложат четирите основни бази, или по-точно техните нуклеотиди, и да се добави ензим — полимераза. Освен това беше необходимо и малко количество готова нуклеинова киселина. При тези условия започваше синтез на ДНК или РНК, както се казва ин витро — „в стъкло“.

Тези резултати бяха доста впечатляващи. За първи път стана възможно да се синтезира нуклеинова киселина извън живата клетка. Самият Корнбърг сравняваше това постижение с откритието на Бухнер за безклетъчната ферментация. Още една функция на живото вещество бе изведена извън клетката и можеше да се изучава в лабораторни условия. За откриването на механизмите на биосинтез на РНК и ДНК през 1959 г. Нобеловата награда по медицина и физиология бе дадена на Северо Очоа и Артър Корнбърг.

Още от 40-те години за биохимиците беше ясно, че последователността на нуклеотидите определя подреждането на аминокиселините в белтъчната молекула. Всички белтъци са изградени от полипептидни вериги, в които участвуват 20 аминокиселини. В ДНК обаче нуклеотидите са само 4. Очевидно е необходимо те да се комбинират по някакъв начин, за да могат да определят 20-те аминокиселини. С този въпрос се зае известният физик Георгий Гамов, който е по-популярен в астрофизиката. Той показа, че ако четирите нуклеотида се съчетават по тройки, това дава общо 64 комбинации, което е напълно достатъчно за кодирането на всякакви белтъчини. Това беше много добра идея, но в 1954 г., когато Гамов я публикува, въобще не беше ясно как може тя да бъде доказана. В 1958 г. Тейтъм в своята Нобелова лекция изрази надеждата, че някой от по-младите му слушатели ще доживеят разшифроването на генетичния код. Науката обаче често изпреварва човешката фантазия и решението на този въпрос дойде още в 1961 г.

Тогава Ниренберг и Матеи синтезираха изкуствено РНК, съставена само от един нуклеотид. Те я използваха за безклетъчната синтеза на белтъчна молекула и получиха полипептид само от една аминокиселина. Например РНК, изградена от урацил, в която естествено има само триплета УУУ, се оказа, че кодира полипептид, в който има само аминокиселината фенилаланин. Така с този забележително прост и остроумен метод започна разшифроването на генетичния код. В тази работа голямо участие взеха Северо Очоа и индийският учен Хар Гобинд Хорана, ученик на Владимир Прелог от Цюрих и на Александър Тод от Кембридж.

Голямата заслуга на Хорана е създаването на методи за синтез на най-различни молекули ДНК и РНК с определена последователност на кодиращите триплети. Изкуствено синтезираните нуклеинови киселини дадоха възможност към 1966 г. да се разкрие значението на всичките 64 комбинации. Оказа се, че някои аминокиселини се кодират от по няколко триплета. В различните организми се използват различни триплети, или както казват биохимиците, ДНК използва различни „диалекти“. Само три кодона — триплети, се оказаха безсмислени. Те не кодират аминокиселина, но за сметка на това играят ролята на препинателните знаци в текста. Когато се стигне до такъв „безсмислен“ кодон, белтъчната синтеза спира.

След като бе разкрит генетичният код, който показва как се записва наследствената информация, остана открит въпросът, как се „превежда“ тази информация от езика на ДНК на езика на протеините. С този въпрос се зае Роберт Холи, ученик на Винсент дю Виньо от Корнелския университет.

Още в началото на 40-те години Касперсон в Швеция и Браше в Белгия установиха, че в тъканите, където активно се синтезират белтъчини, има повишено количество РНК. През 50-те години редица учени изследваха този въпрос, в резултат на което бяха открити рибонуклеинови киселини със сравнително малко тегло и размери. В 1957 г. Френсис Крик разви теорията, че върху нуклеиновата матрица трябва да се подреждат някакви вещества, които да докарват със себе си аминокиселините за белтъчната молекула. Така възникна идеята за транспортната РНК.

Теорията предполагаше, че трябва да има 20 различни транспортни РНК, съответно за 20-те аминокиселини. Роберт Холи си постави задачата да изследва една от тях. С помощта на специални ензими — рибонуклеази, той разделяше молекулата на РНК на малки фрагменти и установяваше нуклеотидната последователност. Използвайки различни ензими, Холи получаваше все по-големи фрагменти и към 1965 г. успя да определи структурата на транспортната РНК, която пренася аланин в клетките на дрождите.

Методът на Холи веднага бе възприет широко от учените и скоро бяха разкрити структурите и на други транспортни рибонуклеинови киселини. Оказа се, че тези вещества имат на единия си край триплет — антикодон, който точно пасва с матрицата. Така транспортните РНК се подреждат върху дългата молекула на информационната РНК, която е копие на съответния ген от ДНК. Те влачат на опашките си различни аминокиселини, които също се подреждат и с помощта на ензими се съединяват във верига. Този процес се извършва в рибозомите — клетъчните фабрики за производство на белтъчни молекули.

Обширните изследвания на Ниренберг, Хорана и Холи хвърлиха светлина върху начина, по който се записва и използва генетичната информация. През 1968 г. тримата учени станаха лауреати на Нобелова награда по медицина и физиология за тяхната интерпретация на генетичния код и неговата функция в белтъчния синтез.

Развивайки своите методи за синтезиране на полинуклеотидни вериги, Хорана успя в 1970 г. да получи първия изкуствен ген. Това бе много важно за зараждащото се генно инженерство. Синтезирането стана възможно едва след като бе определена нуклеотидната последователност в гена. Това е най-сложната задача при изследването на нуклеиновите киселини, която едва напоследък намери своето решение.