Строение ДНК и РНК по В. Зенгеру

В 1987 г. вышла большая книга: В. Зенгер. Принципы структурной организации Зенгернуклеиновых кислот (М.: Мир); авторизованный перевод с английского (оригинал 1984). Prof. Dr. Wolfram Saenger (р. 1939) — известный немецкий учёный, руководивший Институтом кристаллографии до своей отставки в 2011 г. В монографии собраны и систематизированы практически все добытые к тому времени знания о структуре ДНК и РНК (можно сказать, энциклопедия: список литературы занимает 74 стр. и содержит 1377 ссылок); масса отличных рисунков и схем.

Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислотОписаны разные формы двойных спиралей ДНК (A, B, C, D, Z) и РНК, а также гипотетические (расчётные) спиралевидные структуры. Говорится о сверхспиральной организации ДНК, о структуре нуклеиново-белковых комплексов; охвачены и более высокие уровни организации — нуклеосомы, хроматин, хромосомы.
Одна глава называется «Гипотезы и спекуляции: модель «бок о бок», ДНК с изломами и «вертикальная» двойная спираль»Как видим, автор уделил внимание появившимся в 70-е годы альтернативным моделям ДНК, и он делает вывод (с. 351): «Приведённые примеры показывают, что построить разумную с точки зрения стереохимии модель структуры довольно просто; довольно трудно доказать, что такая модель неверна, но ещё труднее доказать, что она справедлива»

Читать далее

Эксперимент Херши—Чейз

Итак, группа Освальда Эвери вроде бы доказала, что генетическая информация у бактерий заключена в их ДНК (см. предыдущую запись). Однако сомнения в главенствующей роли ДНК оставались, поэтому требовались дополнительные исследования. Важный опыт поставили американцы Альфред Херши и Марта Чейз.

ХершиЧейз

Alfred Day Hershey (1908—1997) родился и учился в шт. Мичиган. В 1934 г. получил Ph. D. за работы по бактериологии; затем трудился в Вашингтонском университе в Сент-Луисе. Входил в фаговую группу, и вместе с двумя другими её членами, М. Дельбрюком, С. Лурией, получил Нобелевскую премию по медицине в 1969 г. 

Martha Cowles Chase родилась в 1927 г. в Кливленде (шт. Огайо). Окончив колледж и получив степень бакалавра в 1950-м, она стала research assistant у Херши.

В 1952 г. они осуществили в The Cold Spring Harbor Laboratory свой эксперимент: помечая белки и ДНК фага радиоактивными изотопами (серы и фосфора), показали, что внутрь бактерий проникает только ДНК вируса (но не его белки), т.е. информация закодирована в ней. Это было очень сложное и трудоёмкое исследование, требовавшее высокой квалификации. Видимо, Марта Чейз ею обладала, поскольку в опубликованной и ставшей знаменитой большой статье значились два автора — Херши и Чейз.

Читать далее

О. Эвери и открытие роли ДНК

Сейчас даже трудно представить, что лишь 75 лет назад была установлена химическая природа вещества наследственности. Это сделали в 1944 г. канадо-американский биохимик Oswald Theodore Avery (1877—1955) и два его сотрудника Colin M. MacLeod и Maclyn McCartyЭвериЭвери родился в Галифаксе в семье баптистского священника. Когда мальчику исполнилось 10 лет, семья перебралась в Нью-Йорк. Там он изучал медицину и начал исследовательскую работу; с 1923 г. связан с Рокфеллеровским институтом.

В 1928 г. английский врач Фред Гриффит обнаружил явление трансформации у пневмококков: бактерии одного штамма (невирулентные) при контакте с лизатом вирулентных бактерий (убитых нагреванием) приобретали наследуемую способность быть вирулентными. Группа Эвери более 10 лет работала над выделением вызывающего трансформацию фактора, и наконец им как будто удалось показать, что это ДНК (а не белки, как в то время полагало большинство биологов). Эвери писал брату: «Это нечто такое, что долго было мечтой генетиков»

Теперь, задним числом, мы знаем, что этот вывод был правильным. Однако в то время их работа убедила не всех, поскольку в принципе возможны были и другие объяснения эффекта (например, что ДНК служит мутагеном, а природа самих генов иная). Эвери, будучи очень скромным человеком (к тому же маленького роста), не делал громких публичных заявлений — не утверждал, что гены сделаны из ДНК, а говорил только о трансформирующем факторе; он редко участвовал в конференциях. То есть он был превосходным учёным, но плохим шоуменом. 

В итоге Освальд Эвери умер в 1955 г., так и не получив высшей научной награды. Хотя впоследствии многие говорили, что он её заслужил, и даже сам Нобелевский комитет признал тут свою ошибку. 

Professor Wu about DNA structure

Tai Te Wu was born in 1935 in Shanghai, China. Education: University Hong Kong, University Illinois ВуКнига(Urbana), Harvard University (Cambridge, 1959). Ph.D. in Engineering, Harvard University (1961). Professor of biochemistry, molecular biology, cell biology, biomedical engineering in Northwestern University (Evanston, Illinois) since 1994. Research interests: structural and functional relations of proteins and DNA. The author of the monograph ANALYTICAL MOLECULAR BIOLOGY (2001) and many articles.

Since the late 1960s, he has been one of the most active critics of the Watson-Crick DNA model, seeking an alternative structure; in 2006 published a little book (with autobiographical inclusions) on this subject:

Best Scientific Discovery or Worst Scientific Fraud of the 20th Century

(Trivandrum, Kerala, India: Research Signpost, 2006)

I was surprised not finding in the book any mention of the Side-by-Side model, which caused a lot of noise in the 70s. Such a narrow view does not improve the quality of his issue. Nevertheless, there are many interesting considerations in it.

As wrote his colleague Prof. You Cheng Xu, `Tai Te Wu, a tenured professor of Cornell Medical College was compelled to switch his study from DNA to immunology simply because his research questioning the validity of the double helix and subsequently lost his grant. Evidently, anyone trying to question the legitimacy of the double helix needs not only enough courage and knowledge but also needs an open-minded society allowing the performance of independent experimentation and expression of heretical opinions`.

Below I present excerpts from Wu`s book.

Читать далее

Учебник Джеймса Уотсона

УотсонУчебВскоре после выдвижения модели ДНК научные пути Дж. Уотсона и Ф. Крика разошлись: первый вернулся в Калтех, где занялся исследованием РНК (и пропагандой двойной спирали), второй же заинтересовался проблемой генетического кода. Но в 1955 г. они опять встретились: свой саббатикал Уотсон провёл в Кембридже, где обратился к структуре вирусов. С осени 56-го он уже в Гарварде — преподаёт, опять изучает РНК (ту, что позднее назвали матричной, информационной). А в 1965 г. вышел его учебник MOLECULAR BIOLOGY OF THE GENE, и вскоре, в 67-м, появился русский перевод (М.: Мир) — под редакцией и сУотсон в 1992 г. предисловием акад. В.А.Энгельгардта. 

Уотсон отметил, что в основу книги положены десять лекций вводного курса, который он на протяжении шести лет читал студентам Гарвардского университета. По мнению Энгельгардта, «книга написана блестяще» — она достаточно полно охватила бурно развивавшуюся после появления двойной спирали область науки, которую окрестили молекулярной биологией (кстати, данный термин ввёл Уильям Астбери в 1940 г., а Эрвин Чаргафф съязвил, что это просто способ использовать достижения биохимии, не имея лицензии). Автор учебника находился тогда в зените славы (нобелиат 1962 года), так что текст отражал его энтузиазм. Потом выходили новые, расширенные издания.

В марте 66-го Уотсон представил в издательство рукопись книги, которая в 68-м появилась под названием «Двойная спираль», — как видим, он успешно сочетал разные жанры. Позднее увидел свет другой, значительно больший по объёму учебник MOLECULAR BIOLOGY OF THE CELL, который под его руководством создала группа учёных. Ну а в последующие годы выходили и другие книги «Честного Джима» (в одном интервью он сказал, что писать книги — это его хобби).

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

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.).

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

«Ковбой» Уотсон всегда на коне

УотсонСидитВ этом году Джеймсу Дьюи  Уотсону исполнилось 90. Несмотря на возраст, в последнее время он не раз оказывался в центре внимания — вспомним хотя бы историю о проданной и вновь обретённой нобелевской медали, а также его неполиткорректные высказывания. Такова, видимо, беспокойная натура учёного.

Приведу фрагмент воспоминаний об Уотсоне его коллеги в Кембридже известного биохимика, исследователя гемоглобина Макса Перутца (цит. по его кн. «Мне бы рассердить вас раньше». М.: Научный мир, 2007, с. 228):

В своей знаменитой книжке «Двойная спираль» Уотсон изображает себя довольно развязным парнем, этаким американским ковбоем, но это, конечно, карикатура. Прибытие Уотсона оказало огромное влияние на всех нас, так как мы впервые взглянули на проблемы, которыми занимались, глазами генетика. Он не спрашивал нас, какова атомная структура живой материи, а неустанно повторял одно и то же: «Какова структура гена, который её определяет?» Уотсон нашёл отклик в душе Крика, который погрузился в размышления над этим вопросом. <…>

Крик был высоким, красивым, щегольски одетым мужчиной, всегда многословным — он как бы наслаждался своим королевским английским языком. Свои речи он прерывал взрывами весёлого смеха, который оглушал всех в лаборатории. Чтобы подчеркнуть свою противоположность, Уотсон выглядел бродягой, устраивая шоу из своих грязных ботинок, которые не чистил в течение всего семестра (в те дни это было эксцентричным), говорил в нос и каждую фразу сопровождал фырканьем.

Добавлю от себя, что модель ДНК Уотсона и Крика (двойную спираль) считаю неверной — см. мою статью «Двойная спираль или лента-спираль?» (есть и на английском).