Первые сто лет ДНК

Недавно у Самой Главной Молекулы (© М.Д. Франк-Каменецкий, 1983) был юбилей: 150 лет назад, в 1868 г., молодой швейцарский врач Фридрих Мишер выделил из клеточных ядер новое вещество, которое позднее стали сокращённо называть ДНК. Потом многие занимались этим соединением — выясняли  его биологическую роль и химическое строение. 

В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили для неё пространственную модель, а ещё через 15 лет, в 1968 г., как бы замкнув столетие от открытия Мишера, Уотсон опубликовал свою знаменитую книжку «Двойная спираль». В результате в массовом сознании заслуга раскрытия ДНК связалась исключительно с Уотсоном и Криком (сделавших последний шаг на долгом, тернистом пути), а все другие, предшествующие учёные отошли в тень.

Professor Gareth WilliamsЭту несправедливость решил устранить историк биологии и медицины, почётный профессор Университета в ГаретКнигаБристоле Gareth Williams. Он написал книгу «UNRAVELLING THE DOUBLE HELIX: The Lost Heroes of DNA». Начав с Мишера, автор прослеживает развитие знаний о генетике и веществе наследственности. Рассказывает о ряде исследователей в Британии, которые в 40-х — начале 50-х активно изучали ДНК и были близки к определению её структуры — это William Astbury, Sven Furberg, John Gulland, Michael Creeth, Denis Jordan и др. 

Подробно расписана завершающая стадия поисков (она, по словам автора, походила на London–Cambridge rat race), приведшая к появлению модели Уотсона—Крика. Изложенное Уильямсом хорошо дополняет то, что мы знаем из «Двойной спирали».

Читать далее

Памяти Пола Грингарда

ГрингВ возрасте 93 лет умер американский нейробиолог Paul Greengard. Он родился в Нью-Йорке, после войны окончил колледж и занялся биофизикой. Защитил диссертацию в университете Джонса Хопкинса (Балтимор), с 1983 г. профессор Рокфеллеровского университета.

В 2000 г. Грингард вместе с Арвидом Карлссоном и Эриком Канделом был удостоен Нобелевской премии по медицине «За открытия, связанные с передачей сигналов в нервной системе»(На всю полученную денежную сумму Пол основал премию имени его матери Перл Майстер Грингард, которая ежегодно присуждается женщинам за достижения в области биомедицинских исследований.)

Приведу часть моей заметки о лауреатах того года в ХиЖ (2001, № 1):

Нобелевские премии 2000 года

ФИЗИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА

Премию поделили нейрофизиологи — швед Арвид Карлссон из Гетеборгского университета и два нью-йоркца — Пол Грингард из Рокфеллеровского университета и Эрик Кэндел из Колумбийского (он родом из Австрии). Первые два отмечены за изучение процесса передачи нервного импульса от одного нейрона к другому с помощью химических сигналов (медиаторов); Кэндел известен своими исследованиями нервной системы улитки.

Читать далее

Взлёты и просчёты Фебуса Левина

150 лет назад в Ковенской губернии родился российско-американский биохимик Phoebus Aaron Theodore Levene (Фашель Аронович Левин; 1869–1940). ФебусЛевинФотоС детства он жил в Петербурге, там же окончил медико-хирургическую академию. В 1891 г. его семья эмигрировала в США, где Фебус занялся исследованиями в Колумбийском университете, а затем в Рокфеллеровском институте.

Прославился многими достижениями в изучении сахарных компонент нуклеиновых кислот (а также полисахаридов) — рибозы и дезоксирибозы. Показал, что ДНК состоит из сегментов, каждый из которых содержит сахар, фосфатную группу и основание (он назвал их нуклеотидами); установил строение сахаро-фосфатной цепи. За 40 с лишним лет опубликовал сотни статей и мог бы претендовать на высшие научные награды.

Structural formula of a proposed tetranucleotide, later shown to be incorrect. It was proposed by Phoebus Levene around 1910

Structural formula of a tetranucleotide, later shown to be incorrect. It was proposed by Phoebus Levene around 1910

Однако в 1908—9 гг. получил ошибочные данные, что в клетках живых организмов нуклеиновые кислоты содержат равные молярные концентрации всех четырёх нуклеотидов. Исходя из чего он выдвинул гипотезу, что эти четвёрки образуют комплекс (тетрануклеоид), который многократно повторяется в полимере, и значит, нуклеиновые кислоты не могут служить носителем генетической информации.

Учитывая высокий научный авторитет Левина, его заблуждение затормозило раскрытие истинного вещества наследственности. Сам учёный умер в 1940 г., так и не узнав о центральной роли ДНК (работа О. Эвери с сотр. 1944 г.).

Памяти Сиднея Бреннера

В возрасте 92 лет умер один из основателей генетики развития Sydney Brenner. Он родился в ЮАР, куда его родители эмигрировали из Литвы; работал в разных странах, более 20 лет провёл в Лаборатории молекулярной биологии в английском Кембридже. В 2002 г. награждён Нобелевской премией, о чём я писал в «Новостях науки» (ХиЖ, 2003, № 1). Приведу соответствующий фрагмент:Бреннер

ФИЗИОЛОГИЯ И МЕДИЦИНА

Премию поделили британцы Сидней Бреннер и Джон Сальстон с американцем Робертом Горвицем за работы по генетической регуляции развития органов и запрограммированной клеточной гибели (апоптоза).

В 60-е годы генетики и эмбриологи поняли, что пришло время изучать явления на стыке этих дисциплин и создавать новую науку — генетику развития, для которой необходимо было выбрать подходящий объект исследования. Им стал один из наиболее просто устроенных многоклеточных организмов с коротким жизненным циклом — нематода Caenorhabditis elegans (возможно, в биологии развития этому организму суждено сыграть такую же роль, какую сыграла плодовая мушка в генетике). Взрослый червь размером менее миллиметра содержит ровно 959 клеток (для сравнения человек — порядка 10 в 14 степени клеток), в его геноме около 2000 генов (приблизительно столько же у E.coli; у дрозофилы — примерно 5000). 

Бреннер начал изучать развитие нематоды на молекулярном уровне (а до этого он занимался вирусами, репликацией бактериальной ДНК, внёс вклад в расшифровку генетического кода). Одним из первых он стал применять клонирование генов, их секвенирование и метод рекомбинантных ДНК. 

Paranemic structures of DNA

Ещё в 50-е годы Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и научный руководитель последнего Макс Дельбрюк, обсуждая проблему разделения двух нитей ДНК при репликации, говорили о двух типах в принципе мыслимых моделей этого полимера — plectonemic  и  paranemic:

In plectonemic models the two strands are wrapped around each other in a helix, making it impossible to simply move them apart without breaking the entire structure. In paranemic models (as in parallel) the two strands simply lie alongside one another, making them easier to pull apart.

ПлектоПаранемПонятно, что модель Уотсона и Крика — плектонемическая, и она не объясняет, как именно разделяются два сахарофосфатных тяжа. Поэтому с 70-х годов начали выдвигаться альтернативные — паранемические — модели. Много шума наделала тогда Side-by-Side model, которую предложили G. Rodley с соавторами (1976), а также независимо V. Sasisekharan and N. Pattabiraman (1976). Далее, моя структура (Лента-Спираль, the Ribbon Helix); её мы вместе с Райком Микельсааром из Тартуского университета строили, используя Тартуские объёмные пластмассовые модели (первая наша публикация: Л.И. Верховский, Р-Х.Н. Микельсаар. НОВАЯ СПИРАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ДВУХЦЕПОЧЕЧНОГО ПОЛИНУКЛЕОТИДА. Первая республиканская конференция по биофизике Молдавской ССР. Кишинев, 1984).

Были и другие авторы, считавшие двойную спираль ошибочной и пытавшиеся рассматривать паранемические модели. Назову только нескольких из них: T.T. Wu, K. Biegeleisen, C. Delmonte (привожу их иллюстрации):

ДНКпаранем

A paranaemic structure for the B form of DNA (ref. 4).  

 

 

 

 

 

40 лет моей гипотезе о ДНК

ДНКлестницаВ один поистине прекрасный апрельский день 1979 г. мне пришла в голову идея о новом строении молекулы ДНК. Я обратил внимание, что в книгах и учебниках ДНК часто схематично изображают в виде двух параллельных прямых линий (сахарофосфатные тяжи — на рис. слева), соединённых мостиками (пары оснований). Но ведь эти прямые можно закрутить в спирали, не перекручивая их друг с другом! И тогда проблемы разделения двух нитей ДНК (как в двойной спирали Уотсона и Крика — рис. справа) просто не будет. 

Я поделился идеей со знакомыми, которые имели хоть какое-то отношение к биологии-химии, и вскоре школьный товарищ, занимавшийся белками в химическом институте, сообщил мне, что вроде бы недавно кто-то уже предложил незакрученную модель ДНК (но точной ссылки не дал). Помню, тогда подумал: надо же — только откроешь что-то новое, как выясняется, что уже было. 

Нужно учесть, что в то время я почти совсем не знал английского языка (в школе и институте учил French), не был записан в библиотеки — черпал информацию из отечественной и переводной научно-популярной литературы, которой было много (и высокого качества). Пришлось записаться в ГПНТБ, потом в Ленинку. Стал смотреть реферативные журналы по молекулярной биологии, наконец встретил нужное — статья в новозеландском журнале. В каталогах это редкое издание отсутствовало, но одна добрая душа из академического института заказала для меня ксерокопию.

Читать далее

Научный Нью-Йорк в артефактах

Самый большой город США сыграл определяющую роль в развитии науки и образования этой страны. Наиболее отличившиеся деятели увековечены там в статуях и бюстах, мемориальных досках NewYorkBookи памятных табличках. Кроме того, имена многих людей присвоены университетам, институтам, музеям, библиотекам, кафедрам, зданиям, аудиториям… 

Всё это стало объектом внимания Иштвана и Магдольны Харгиттаи — авторов книги «New York Scientific: A Culture of Inquiry, Knowledge, and Learning» (Oxford, University Press, 2017); недавно я уже писал о книгах серии «Прогулки в городе N по памятным местам науки» супругов Харгиттаи (см. запись от 17.2.19). 

На каждой странице читатель видит несколько фото, а всего их в издании более 800. Изображения конкретного памятного объекта дополняются рассказом о связанных с ним учёных, организаторах науки, меценатах. Приводятся интересные факты, иногда даже анекдотические. Отдельные главы книги посвящены Рокфеллеровскому и Колумбийскому университетам, а также City of Medicine, говорится об их наиболее известных выпускниках. В общем, много узнаёшь и о The Big Apple, и об истории науки. 

Вот один из артефактов. На стр. 38 показан Nobel Obelisk, воздвигнутый в 2003 г. рядом с American Museum of Natural History. На нём высечены имена всех американцев, получивших Нобелевскую премию, и список продолжает пополняться по мере появления новых лауреатов. На сегодняшний день их, страшно сказать, около 340 (девальвация?), и мне лично показалось, что свободного места на обелиске уже не осталось (не рассчитали?).

ДНК: подход художника

В эпоху Возрождения наличие у художников научных интересов было обычным явлением, вспомним хотя бы Леонардо да Винчи (в этом году 500 лет со дня его смерти) и Альбрехта Дюрера. Да и в наше время подобные Homo universalis встречаются, например нидерландский художник-график Мауриц Эшер (1898—1972). Научные фактыМаркКуртис в их творениях получали новые, необычные интерпретации.

Сейчас в Англии живёт художник Mark Curtis, для которого источником вдохновения ещё в 90-годы стала двойная спираль ДНК. Видимо, на него большое впечатление произвёл тот факт, что один виток «винтовой лестницы» состоит из десяти «ступенек» (хотя в реальном полимере это строго не соблюдается) — Куртис решил, что эта десятерная симметрия лежит в самой основе строения ДНК. Такую симметрию отражает правильный десятиугольник, вокруг которого укладываются 10 правильных пятиугольников.

Он предположил, что этим пятиугольникам должны соответствовать пары оснований ДНК, а если классические уотсон-криковские пары на них не похожи, то их надо изменить. И он, не будучи химиком, стал искать другие возможные расположения оснований в комплементарных парах (с другими водородные связи между ними) — такие, которые дали бы ему нужную геометрическую форму. Когда он уложил найденные им новые пары в двойную спираль, то получил изменённую её конформацию (с полой трубкой внутри).

Читать далее

Памяти Манфреда Эйгена

Скончался известный немецкий химик, молекулярный биолог Manfred Eigen. Он родился в Бохуме в 1927 г. в Эйгенсемье музыканта, и в его собственной жизни игра на фортепьяно занимала значительное место. Под самый конец войны был призван в армию и служил в частях ПВО. Затем изучал физику и химию в Гёттингенском университете, получил степень доктора в 51-м. В том же городе работал в Институте физической химии, с 64 г. его директор. Исследовал кинетику сверхбыстрых химических процессов, для чего использовал короткие внешние импульсы — звуковые волны, резкие изменения температуры или параметров электрического поля, а затем наблюдал за релаксацией системы в новое равновесное состояние. За эти работы в 1967 г. М. Эйген получил Нобелевскую премию по химии, разделив её с Р.Норришем и Дж. Портером, — см. статью И.А. Леенсона «Манфред Эйген: измерение неизмеримого» в ХиЖ,  2014, № 7: <ЭйгенЛеенсон>.

В конце 60-х годов его научные интересы охватили проблему зарождения жизни. В 1973 г. у нас вышла его богатая идеями книга «Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул» (М.: Мир; оригинал 1971) с рисунком транспортной РНК в виде клеверного листа на обложке — важнейшей молекулы, как бы таинственного иероглифа самой жизни (можно вспомнить, что когда химику, тоже нобелиату Владимиру Прелогу подарили позолоченную модель скелета тРНК, он воскликнул: «Это – подпись Бога!»). Затем, в 1982 г. вышла книга Эйгена и П. Шустера «ГИПЕРЦИКЛ. Принципы самоорганизации макромолекул», но она не показалась мне особенно интересной. 

Читать далее

150 лет журналу «Nature»

В этом году отмечает свой полуторавековой юбилей один из старейших общенаучных журналов, знаменитый «Nature», первый номер которого вышел в ноябре 1869 года.

Nature1

Вот как начиналась Декларация о целях и задачах издания:

NATURE`S MISSION

The objective which it is proposed to attain by this periodical may be broadly stated as follows. It is intended, FIRST, to place before general public the grand results of scientific work and scientific discovery; and to urge the claims of science to move to a more general recognition in education and in daily life… SECONDLY, to aid scientific men themselves, by giving early information of all advances made in any branch of natural knowledge throughout the world, and by affording them an opportunity of discussing the various scientific questions which arise from time to time.

Читать далее