ДНК: проблема репликации

ДНКрепликац В 2011 г. вышла большая книга

«DNA REPLICATION. Current Advances»

Это сборник статей разных авторов, и одну из них написал исследователь из университетского Медицинского центра в Далласе You Cheng Xu:  <XuReplDNA>.

Называлась она

«Replication Demands an Amendment of the Double Helix»

В ней автор обратился к старой проблеме разделения двух нитей ДНК при репликации (и денатурации). Эту серьёзную трудность двойной спирали авторы модели осознавали — Ф. Крик подробно обсуждал её в статье «Строение вещества наследственности», опубликованной в октябрьском номере Scientific American за 1954 год. Она же стала причиной выдвижения альтернативных «бок о бок» моделей, о которых Крик писал в своей книге «What Mad Pursuit», вышедшей в 1988 г. (есть русский перевод).

You Cheng Xu приводит старые и новые данные, указывающие на то, что В ЦЕЛОМ две цепи молекулы НЕ ПЕРЕВИТЫ. Он придерживается такой версии: направление закрученности уотсон-криковской двойной спирали меняется вдоль цепи, то есть в ней чередуются правозакрученные и левозакрученные участки (the ambidextrous DNA model). Он пишет: «…the two strands in native DNA must bewound bi-directionally… ambidextrous DNA implies that the two strands are mainly winding right-handedly or left-handedly at the same time in a native DNA duplex, which is an amendment to the classical double helix model». Такое вот amendment.

В связи с этим хочу напомнить, что подобную идею выдвинул в 1981 г. Борис Саввич Филипп из Института прикладной физики АН МССР в Кишинёве. (Мы познакомились с ним на почве общего интереса к структуре ДНК на 1-ом Всесоюзном биофизическом съезде в Москве в августе 1982 г.) Затем этот взгляд поддерживали и другие авторы.

Ну а наш подход, как известно, другой: <Лента-спираль>.

64 года статье Уотсона и Крика

Картинки по запросу статья уотсона и крика 1953 годаХотя с момента публикации знаменитой статьи Уотсона и Крика прошло уже много лет, связанные с ней обстоятельства продолжают волновать учёный мир. В 2003 г. отмечался полувековой юбилей статьи, и тогда возник вопрос: рецензировалась ли она? Приведу два письма в редакцию журнала «Nature» (они показывают и то, как менялся процесс отбора, оценивания поступивших статей в этом старейшем и уважаемом издании):

 

Nature (13 November 2003)

How genius can smooth the road to publication

JOHN MADDOX (now Emeritus Editor, was Editor of Nature during the periods 1966–1973 and 1980–1995)

As Jens Brümmer states, the Watson and Crick paper was not peer-reviewed by Nature. I have two comments on this. First, the Crick and Watson paper could not have been refereed: its correctness is self-evident. No referee working in the field (Linus Pauling?) could have kept his mouth shut once he saw the structure. Second, it would have been entirely consistent with my predecessor L.J.F. Brimble’s way of working that Bragg’s commendation should have counted as a referee’s approval. Brimble, who used to «take luncheon» at the Athenaeum in London most days, preferred to carry a bundle of manuscripts with him in the pocket of his greatcoat and pass them round among his chums «taking coffee» in the drawing-room after lunch. I set up a more systematic way of doing the job when I became editor in April 1966.

An interesting question is how Wilkins and Franklin came to have papers in the same issue. J.T. Randall, the head of physics at King’s College, was a pal of Brimble’s co-editor at the time, A.J.V. Gale, and it is known that Crick sent a copy of his paper to Maurice Wilkins. (He probably sent one to Rosalind Franklin as well.) My guess is that Randall would have called up Gale the minute he heard about Crick’s paper, pleading for equal treatment for King’s. There’s a letter from Wilkins to Crick saying: «Franklin has jumped on the bandwagon — Christ!».

*  *  *

Читать далее

Р. Гослинг и двойная спираль ДНК

25 апреля в мире отмечают «День ДНК» — именно в этот день в 1953 г. вышел номер «Nature» с гипотезой Уотсона и Крика. Поэтому есть повод вспомнить про вклад ещё одного активного участника тех событий — Рэймонда Гослинга. Именно он, будучи аспирантом Уилкинса, получил в 1950 г. рентгенограмму волокон ДНК, положившую начало «гонке ДНК». 

Р. Гослинг в 50-е годы

………..Р. ГОСЛИНГ В 50-е ГОДЫ…..

Рэй вспоминал: «Я не верил своим глазам. Это было волнующе — нечто, что никто не наблюдал раньше».

Уилкинс захватил картинку на симпозиум в Неаполь весной 1951 г. и продемонстрировал её в конце своего доклада. Там присутствовал Джим Уотсон, на которого увиденное изображение произвело неизгладимое впечатление — в своей «Двойной спирали» он писал: «Я внезапно загорелся интересом к химии… Начал размышлять, могу ли я присоединиться к работе Уилкинса с ДНК… Это был потенциальный ключ к раскрытию тайны жизни…».

В январе 51-го в лабораторию пришла опытный рентгеноструктурщик Розалинд Фрэнклин, и Гослинг стал работать под её руководством. Вместе они открыли, что в зависимости от влажности волокон существует две основные формы ДНК, которые назвали «B» и «A». Им удалось получить так называемую фотографию-51 — очень информативную рентгенограмму волокон натриевой соли ДНК в B-форме. Это неопубликованное фото опять же увидел Джим, что стало для него с Криком отправной точкой в определении структуры полимера.

Вместе с исторической статьёй Уотсона и Крика в том же номере «Nature» была напечатана и статья Фрэнклин и Гослинга (а также статья Уилкинса с сотрудниками) — они подробно рассказали о своих результатах. Но так уж получилось, что для историков науки Рэймонд навсегда остался как бы в тени Розалинд.

Рэй Гослинг родился 1926 г., его отец был художником и дизайнером, мать оперной певицей. После окончания школы хотел изучать медицину, но семья была против: путь к врачебной профессии долог и дорог. Он стал физиком и в конце 40-х присоединился к группе Уилкинса в лондонском Кингз-колледже, которая должна была заняться рентгеновскими исследованиями ДНК (причём шеф, профессор Джон Рэндолл настоял, чтобы прежде Гослинг поближе ознакомился с биологией, что он сделал в вечерней школе).

Когда в 53-м Фрэнклин ушла из Кингз-колледжа, Гослинг закончил диссертацию и тоже оставил (вопреки своему желанию) работы с ДНК. Преподавал в разных университетах Британии и других стран (даже в Вест-Индии), а с 1967 г. занимался приложением физических методов к биологии и медицине.

С молодости увлекался греблей, участвовал в регатах. Был скромным человеком — никогда не высказывал какого-либо неудовольствия по поводу недооценки его вклада. Умер в 2015-м в возрасте 88 лет.

«Конец науки» Джона Хоргана

Известный, удостоенный многих наград американский научный журналист Джон Хорган работал в Scientific American (1986-1997 гг.), а также писал для других журналов и газет. В 1996 г. он выпустил книгу «Конец науки. Взгляд на ограниченность знания на закате Века Науки» (пять лет спустя появился русский перевод). В ней он попытался, общаясь с ведущими специалистами, работающими в разных хорганобластях, получить ответ на волнующий его вопрос: подошла ли к своей естественной границе, к своему концу фундаментальная наука? Книга стала бестселлером в США и была переведена на 13 языков.

Понятно, что наука развивается неравномерно, то или иное направление может заходить в тупик (такое бывало и в прежние времена, случается и теперь), но потом происходит какой-то прорыв, и движение вперёд возобновляется. Есть ли причины думать, что сейчас тут что-то качественно изменилось? Нет. Конец, если он вообще в принципе существует, лежит где-то в очень туманном далеке: слишком многие важные проблемы не только не решены, но к ним лишь подступаются. Скажем, в ЗорганКонецбиологии: происхождение жизни, онтогенез (о физике умолчу: какой-то морок на неё нашёл).

Подозреваю, что Хорган всё это прекрасно понимал, а поставленный им вопрос — просто журналистский ход, позволивший ему побеседовать со знаменитыми учёными и написать об этом интересную книжку. Ну а мне, его российскому коллеге — откликнуться рецензией на неё. Под названием «Страдания научного журналиста» она была опубликована в ХиЖ (2002, № 6): <Хорган>.

*  *  *

П. Мэнсфилд и ЯМР-томография

Ушёл из жизни Питер Мэнсфилд, один из создателей ЯМР-томографии — метода, без которого уже невозможно Мэнсфилдпредставить современную медицину. Он родился в Лондоне в 1933 г. в простой семье, его школьное обучение прервала война, и он потом заканчивал его, совмещая с работой. Изучал физику в Квин Мэри колледже, начал заниматься магнитными свойствами атомов. После недолгого пребывания в США был приглашён в Университет Ноттингема, где проработал всю жизнь. В 2003 г. разделил Нобелевскую премию (физиология и медицина) с американцем Полом Лаутербуром.

Моя заметка о лауреатах 2003 года была опубликована в ХиЖ (2004, № 1). Приведу ту её часть, что касается Лаутербура и Мэнсфилда (а также маленькое общее рассуждение о Нобелевских премиях):

Нобелевские премии 2003 года

Физиология и медицина

Премию поделили американец Пол Лаутербур из Иллинойского университета и англичанин Питер Мэнсфилд из университета Ноттингема за создание метода ЯМР-томографии (или магнитно-резонансной томографии — МРТ).

В химическом анализе давно применяют ЯМР-спектроскопию, при которой небольшой объем раствора помещают во внешнее магнитное поле. В нем атомные ядра, имеющие ненулевые спины (например, водорода, углерода-13, натрия-23, фосфора-31), ориентируются по нескольким дискретным направлениям, которым соответствуют разные энергетические уровни. Затем, облучая раствор электромагнитными волнами (в радиодиапазоне), находят резонансные частоты. Поскольку на них влияет химическое окружение атомов, таким способом удается многое узнать о структуре и внутренней динамике молекул.

Химические элементы, у которых ядра имеют ненулевой спин, широко представлены в живых организмах (прежде всего водород в молекулах воды). И в 1971 году американский физик Р. Дамадьян попытался использовать ЯМР для медицинских целей (как выяснилось, еще в начале 60-х годов это предложил делать и даже подал заявку на изобретение офицер Советской Армии В.А. Иванов — см. «Известия» от 25.10.2003).

Читать далее

Книга Г. Богена и модель ДНК

Моё серьёзное увлечение биологией началось с книги немецкого автора Ганса Иоахима Богена «Современная биология» (М.: Мир, 1970; перевод с немецкого Г.И. Лойдиной). На языке оригинала она вышла (с предисловием нобелевского лауреата А. Бутенандта) в 1967 г., то есть по горячим следам свершившегося эпохального открытия — расшифровки генетического кода. В ней ясно и увлекательно раскрывались основные положения и — что важно! — нерешённые проблемы молекулярной и клеточной биологии. Книга была отлично издана: на толстой бумаге, с фотографиями, многочисленными цветными рисунками и схемами.
В ней семь глав:
1. Физиология и биохимия клетки;
2. Основы современной генетики;
3. Субмикроскопическая структура клетки;
4. Регуляторные механизмы клетки;
5. Молекулярные основы памяти;
6. Основы современного учения об иммунитете;
7. Происхождение жизни.
Я тогда учился на 4-м курсе МИЭМа (прикладная математика, техническая кибернетика), а из книги я узнал, как кибернетические принципы проявляют себя в живой природе на молекулярном (генетический код) и клеточном уровнях. Всё это было необыкновенно интересно, можно сказать, что мне открылся новый мир.
.
Как выяснилось впоследствии, для меня оказался важен ещё и тот факт, что большое внимание Боген уделил вроде бы частному вопросу — загадочному механизму разделения двух перекрученных нитей ДНК при репликации клетки. Он подробно обсуждал (с. 299) возможные сценарии раскручивания двойной спирали; об участии в процессе особых белков топоизомераз тогда ещё речь не шла — позднее многие решили, что именно они снимают проблему, но (In My Not-So-Humble Opinion) это мнение ошибочно.
.
Вопрос запал мне в душу, я периодически к нему возвращался, пока весной 1979 г. мне не пришла в голову мысль, что модель ДНК может быть другой — с неперевитыми цепями. Причём эта простая идея возникла в момент, когда листал книгу Богена — я обратил внимание, что двунитчатые ДНК очень часто схематично изображают просто как две прямые линии, идущие параллельно. Но ведь эти линии можно закрутить в спирали, НЕ ПЕРЕКРУЧИВАЯ их друг вокруг друга! Чтобы лучше понять строение моей «ленты-спирали», строил её из проволоки и ластиков (я вырезал из них как бы пары оснований и склеивал — образовывал стопку). 
Наконец на исходе века опубликовал гипотезу в ХиЖ (1999, № 9): <Лента-спираль>. Спасибо, что напечатали. Но эта история про ДНК ещё не закончилась, а через два года идее исполнится 40 лет.

Строение Земли и Платоновы тела

После попытки приложить симметрии правильных многогранников (Платоновых тел) в теории элементарных частиц (моя статья в ХиЖ, 2006, № 6: <Платоновы> или <ПлатЭлЧаст>) мне пришли в голову некоторые идеи о возможной связи этих тел со строением нашей планеты, о чём написал в статье «Два этюда о строении Земли» (ХиЖ, 2008, № 7).%d0%bf%d0%bb%d0%b0%d1%82%d0%be%d0%bd%d1%82%d0%b5%d0%bb%d0%b0

ПЕРВЫЙ ЭТЮД касался того давно замеченного геологами факта, что в рельефе Земли (расположении горных хребтов) вроде бы проявляет себя симметрия додекаэдра (на рис. он в центре). Я предположил, что к ней мог привести процесс, аналогичный образованию так называемых ячеек Бенара, когда в нагреваемом на сковороде слое масла образуются конвективные ячейки в виде шестиугольных призм. Значит, на плоскости образуются шестиугольники.

А теперь представим сферическую сковороду, покрытую слоем масла (забудем про тяготение). Замостить сферу правильными шестиугольниками нельзя (по теореме Эйлера), а вот пятиугольниками можно. Моя гипотеза: в жидкой горячей протопланете образовались гигантские конвективные ячейки, при остывании которых и возник тот додекаэдрический  (из пятиугольников) каркас, о котором говорили геологи.

ВТОРОЙ ЭТЮД — о причинах наблюдаемого распределения материков и океанов. Как в 50-х годах заметил известный советский геолог Б.Л.Личков, в первом приближении оно может быть описано симметрией октаэдра: если его соседние грани пометить двумя цветами, то океанам будут отвечать грани одного цвета, а материкам — другого. Важно, что из всех правильных многогранников так — «шахматно» — раскрасить грани можно лишь в случае октаэдра. Впишем октаэдр в сферу и спроектируем его рёбра из центра сферы на её поверхность. Получим граф, который, как я предполагаю, определяет узловые линии колебаний шара (границы выпуклостей и вогнутостей). Короче говоря, общий рельеф планеты — это её застывшее колебание.

Подробнее — см. статью на этом сайте: <Земля>.

==========================================================

ДОПОЛНЕНИЕ к Первому этюду от 11.12.16.

А теперь новая мысль, не вошедшая в статью. Как известно, в растительном и животном царствах распространена симметрия пятого порядка (некристаллографическая), и этот факт — одна из загадок природы. Вспоминая наш ЭТЮД ПЕРВЫЙ, можно предположить, что там имеет место аналогичный процесс, нарушающий непрерывную симметрию сферы и приводящий к дискретной симметрии додекаэдра. После чего, скажем, при образовании цветков с пятью %d1%86%d0%b2%d0%b5%d1%82%d0%be%d0%baлепестками, возникший додекаэдр искажается в размерах (пятиугольные грани вытягиваются), а затем «схлопывается», так что нижняя и верхняя грани сближаются, а пять нижних и пять верхних боковых граней преобразуются в две пятилучевые звезды — венчик и чашечку (синие и зелёные лепестки).

 

 

Макс Перуц — о науке и жизни

Выдающийся австро-английскй биохимик, молекулярный биолог, кристаллограф %d0%bf%d0%b5%d1%80%d1%83%d1%86Макс Перуц (1914—2002) прославился раскрытием структуры важнейшего белка гемоглобина, за что стал нобелиатом в 1962 г. Об этой его многолетней напряжённой работе поведал в своей статье коллега Перуца, ещё один нобелист Аарон Клуг (в моём сокращённом переводе и с моим предисловием статья Клуга была опубликована в ХиЖ, 2003, № 11: <КлугПеруц>).

А в 2007 г. у нас вышел сборник эссе Перуца «Мне бы рассердить вас раньше» с подзаголовком: «Эссе о науке, учёных и гуманизме». Я написал рецензию на него (ХиЖ, 2008, № 2: <ПеруцРеценз>). Лично для меня наиболее интересным был, наверное, рассказ о том, как пришли к двойной спирали ДНК. Ведь Перуц в те годы работал в Кавендишской лаборатории вместе с Уотсоном и Криком, так что все события происходили на его глазах. Более того, он  непосредственно повлиял на них. Дело в том, что к нему, как члену Совета по медицинским исследованиям, попал в 1952 г. отчёт о работах в лондонском Кингс-колледже. И там содержались важные — неопубликованные — рентгенограммы ДНК, полученные Розалинд Фрэнклин. Перуц счёл возможным показать их Крику, что позволило тому существенно продвинуться в решении проблемы. Впоследствии Крик признал это, однако Розалинд, видимо, до конца своих дней оставалась в неведении.

%d1%83%d0%be%d1%82%d1%81%d0%ba%d1%80%d0%b8%d0%ba%d1%80%d0%be%d0%b7%d0%b8

Вообще, недостаточное признание заслуг этой замечательной исследовательницы уже давно широко обсуждается, о ней написаны несколько книг. Кроме того, американский драматург Анна Зайглер сочинила пьесу о Фрэнклин «Фотография 51», которая была поставлена в прошлом году на лондонской сцене с Николь Кидман в главной роли <РозиЛондонПьеса>, а недавно — и в Латвии, в Лиепае <РозиПьесаЛатвия>.

Но как я уже неоднократно писал, последнее слово в проблеме строения молекулы ДНК ещё не сказано. Поэтому в будущем научные вклады всех основных действующих лиц подвергнутся пересмотру. Думаю, Уотсон и Крик совершили ошибку, не придав должного значения «антиспиральным» взглядам Розалинд.

Загадки эмбрионального развития

В «Популярной механике» (2016, № 6) статья Р. Фишмана про гомеозисные гены, определяющие план строения организма (есть на сайте Элементы: <Гомеоз-гены>). Вообще, биология развития меня всегда интересовала: она изучает одну из самых глубоких научных проблем — процесс эмбрионального развития. К её решению нужно приближаться с двух разных сторон, как бы роя туннель навстречу друг другу, — используя абстрактно-кибернетический и химико-биологический подходы. Ведь не имея теоретической модели развития, есть опасность утонуть в море конкретных цитологических и биохимических фактов, касающихся разных аспектов этого фантастически сложного процесса.

В своей статье «Этюды о биологической памяти» (1984) <Биол. память> я выдвинул такое предположение: «в клетках имеется модель, отображающая разные уровни строения организма. С её помощью клетка определяет, как ей следует себя вести в том или ином клеточном коллективе, то есть выполнять разные «социальные» роли; в соответствии с этой моделью из одной клетки развивается целый организм». Хотя идея выглядит спекулятивной, думаю, что в ней содержится доля истины. 

*  *  *

В 1995 г. три исследователя гомеозисных генов получили Нобелевскую премию. Я писал об этом в «Новостях науки» (ХиЖ, 1996, апрель-июнь):

Картинки по запросу гомеозисные гены

Читать далее

ДНК в рентгеновском свете

Нам сейчас много известно о рентгеновских исследованиях ДНК Уилкинса, Фрэнклин, Гослинга в лондонском Кингз-колледже, так как они непосредственно повлияли на выдвижение модели в виде двойной спирали. Однако у них

У. Астбери

_____Уильям Астбери___

были предшественники, и это, прежде всего, английский кристаллограф Уильям Томас Астбери (Astbury; 1898—1961). В 30-х годах он изучал фибриллярные белки, его исследования кератина послужили основой для открытия Полингом альфа-спирали.

В 1937 г. шведский биохимик Торбьёрн Касперссон, двумя годами ранее показавший, что ДНК — это длинная полимерная цепь из нуклеотидов, передал выделенные им образцы ДНК Астбери. И в следующем году — cherchez la femme — аспирантка Астбери в его лаборатории (Университет Лидса) Флоренс Белл получила первые рентгенограммы волокон ДНК. Они позволили определить некоторые важные параметры исследуемой структуры, например, что основания располагаются вдоль оси со сдвигом 3,4 ангстрема.

Исходя из этих данных Астбери предложил «стопочную» модель ДНК. В ней циклы сахара (дезоксирибозы) лежат в плоскостях присоединённых к ним оснований, и эти плоские комплексы (ориентированные перпендикулярно длинной оси полимера) уложены друг на друга в стопку. Полинг использовал данные Астбери и Белл в своих поисках возможной структуры ДНК.

Читать далее