Но на практике о явлении прекрасной новой эры возвестила в 1953 г. расшифровка структуры ДНК. Большинство важных открытий в биологии основываются на работе множества ученых, которые годами или десятилетиями продираются сквозь природу вещей, чтобы постепенно добраться до самой сути. Впрочем, порой впечатляющие озарения случаются гораздо быстрее. Так произошло со структурой ДНК. За считаные месяцы трое ученых из Лондона – Розалинд Франклин, Рэймонд Гослинг и Морис Уилкинс – провели критически важные эксперименты, и затем Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон в Кембридже дали интерпретацию полученных данных и расшифровали структуру ДНК. Более того, они быстро уяснили значение своих выводов для биологии.
Спустя годы я довольно близко познакомился с обоими, уже постаревшими Криком и Уотсоном. Они резко отличались друг от друга. Фрэнсис Крик обладал острым как бритва, логическим и проницательным умом. Он расчленял задачи на тончайшие слои так, что они буквально плавились под его взором.
У Джеймса Уотсона была поразительная интуиция, он строил умозаключения там, где другие не видели никакой связи, хотя и не всегда было понятно, как у него это выходит. Оба были уверенными в себе и резкими в высказываниях, и хотя порой бывали критически настроенными, но при этом всегда готовыми к диалогу с молодыми учеными. Они замечательно дополняли друг друга.
Подлинная красота предложенной ими двойной спирали ДНК заключается не в элегантности изящной винтообразной структуры, а скорее в том, как структура разъясняет собою те два главных принципа, благодаря которым наследственный материал служит фундаментом сохранения и продления жизни до бесконечности. Первое: ДНК должна кодировать информацию, необходимую клеткам и всему организму для собственного роста, поддержания жизнеспособности и репродукции. Второе: она должна обладать возможностью точного и надежного самовоспроизведения, с тем чтобы каждая новая клетка, каждый новый организм могли унаследовать полный набор генетических инструкций.
Спиралевидная структура ДНК, которую можно представить в виде скрученной веревочной лесенки, несет в себе обе эти важнейшие функции. Давайте посмотрим на то, каким образом генетическая информация заключена в структуре ДНК. Каждая ступенька лесенки состоит из связанных между собой пары химических молекул, называемых основаниями или нуклеотидами. Существуют четыре разных типа нуклеотидов, сокращенно называемых A (аденин), T (тимин), G (гуанин) и C (цитозин). Порядок, в котором эти четыре нуклеотида появляются в каждой из двух цепочек, или нитей лесенки, ДНК, представляет собой информационный код. Это можно сравнить с тем, как смысл речи передается при помощи упорядоченной последовательности букв, составляющих фразу, которую вы сейчас читаете. Каждый ген представляет собой определенный фрагмент кода ДНК, содержащий сообщение для клетки. Такое сообщение может быть инструкцией, например, к выработке пигмента, обусловливающего цвет глаз человека, пурпурного цвета цветка гороха, или к тому, чтобы бактерия пневмонии стала более вирулентной. Клетка получает эти послания ДНК, «считывая» генетический код и запуская информацию в работу.
Далее нужно получить точные копии ДНК, чтобы вся информация в генах надлежащим образом передавалась от одного поколения клеток или организмов к последующему. Форма и химические свойства двух оснований, составляющих каждую из лестничных ступенек, таковы, что нуклеотиды образуют пары лишь определенным образом. Аденин (A) может соединяться только с тимином (T), гуанин (G) только с цитозином (C). Отсюда следует, что, если вам известен порядок нуклеотидов на одной нити ДНК, вам тут же станет ясен порядок нуклеотидов на другой. И следовательно, если вы разобьете двойную спираль на две нити, каждая из них будет служить шаблоном для воссоздания идеальной копии первоначальной партнерской нити. Как только Крик и Уотсон разглядели такое построение, они поняли, что это и есть способ, которым клетки копируют ДНК, создавая хромосомы и из них – свои гены.
Гены оказывают главное влияние на поведение клеток и в конечном счете всего организма, инструктируя клетку о том, как синтезировать определенные белки. Для жизни эта информация основополагающая, потому что белки выполняют основную работу в клетке – большинство клеточных ферментов, структур и операционных систем состоят из белков. Для этого клетки «переводят информацию с одного языка на другой» – с четырехбуквенного алфавита ДНК, состоящего из «букв» A, T, G и C, на более сложный язык белков, состоящих из упорядоченных цепочек из 20 различных кирпичиков, называющихся аминокислотами. К началу 1960-х гг. ученые уже знали о существовании данной связи между генами и белками, но было неизвестно, каким образом клетка переводит информацию с языка ДНК на язык белков.
Эта связь называется генетическим кодом, представлявшим в те времена подлинную криптографическую головоломку для биологов. Взломать этот код удалось в конце 1960-х – начале 1970-х гг. последовательно несколькими учеными. Ближе всего я был знаком с Фрэнсисом Криком и Сидни Бреннером. Из всех встречавшихся мне биологов Сидни был наиболее остроумным и дерзким. Как-то раз он проводил со мной собеседование для приема на работу (куда меня не взяли), в ходе которого описывал своих коллег, сравнивая тех с монструозными фигурами на картине Пикассо «Герника», репродукция которой висела на стене его офиса. Юмор его строился на сопряжении самых неожиданных вещей, и подозреваю, что таков же был источник его безграничной творческой изобретательности как ученого.
Он и другие дешифровальщики показали, что четырехбуквенный алфавит ДНК скомпонован в трехбуквенные «слова» на каждой нити лестницы ДНК, при этом большинство таких коротких слов соответствует конкретному аминокислотному кирпичику белка. Например, «слово» ДНК GCT говорит клетке, что нужно прибавить аминокислоту аланин к новому белку, а TGT требует аминокислоту цистеин. Можно представить себе ген как последовательность слов ДНК, нужных для создания какого-либо определенного белка. Скажем, ген человека, называемый бета-глобин, содержит свою основную информацию в 441 «букве» ДНК (то есть 441 нуклеотиде), образующих 147 трехбуквенных «слов» ДНК, которые клетка переводит в молекулу белка длиной в 147 аминокислот. Здесь бета-глобиновый белок помогает сформировать несущий кислород пигмент гемоглобин, обнаруживаемый в эритроцитах, поддерживающий жизнь тела и придающий крови красный цвет.
Расшифровка генетического кода раскрыла главную тайну, лежащую в основе всей биологии. Было продемонстрировано, что хранящиеся в генах статические инструкции могут быть преобразованы в активные белковые молекулы, которые формируют наши клетки и управляют их работой. Расшифровка кода проложила дорогу в современный мир, в котором биологи могут без труда описывать, интерпретировать и модифицировать последовательности генов. Это достижение в то время казалось столь значительным, что некоторые биологи отложили свои приборы в сторону, решив, что самые фундаментальные проблемы клеточной биологии и генетики уже решены. Даже