Новата ера
1953: Сталин умира в Москва, Едмънд Хилари и Тенцинг Норгай изкачват връх Еверест, Елизабет II е коронясана, юнското въстание в ГДР е кърваво потушено, първото издание на „Плейбой“ се появява в Германия. Междувременно американският биолог Джеймс Уотсън и британският физик Франсис Крик си бъркат с ДНК модели в уютния Кеймбридж, Великобритания, незабелязани от обществеността. През февруари Крик обяви в местната си кръчма „Орел“, шумно, както обикновено, че са разкрили тайната на целия живот: ДНК, носител на генетичния материал, е двойна спирала по посока на часовниковата стрелка, двойна спирала. Двамата изследователи откриха изключително успешната ера на молекулярната биология, последната кулминация на която беше отпразнувана публично преди три години от Бил Клинтън и Тони Блеър заедно с изследователите на генома: дешифрирането на трите милиарда биохимични букви на човешкия геном.
В средата на миналия век вече съществуваше мнението, че гените са елементите, които носят наследствените свойства на живота. Но иначе имаше „бездънно невежество“, както пише генетикът Херман Йозеф Мюлер през 1950 година. Какво е ген, от какво е направен? Има доказателства, че гените се намират в хромозомите. Хромозомите са изградени от ДНК и протеини. Първоначално повечето биолози и биохимици търсеха гените на грешното място: в разнообразието от протеини. Защото те не можаха да обяснят как една толкова проста молекула като ДНК - която се състои само от фосфат, захарната дезоксирибоза и четирите основи аденин, цитозин, гуанин и тимин - крие голямата тайна на наследствеността, основата на цялото разнообразие в живота би трябвало.
На тази основа Уотсън и Крик разработиха структура, която съвпада с всички известни данни без противоречие: Дясна двойна спирала с диаметър две милионни части от милиметър, вътрешни основи и външна фосфатно-захарна верига. Дълго време учените могат да докажат двойната спирала само косвено. Едва когато беше възможно да се синтезират и кристализират къси парчета ДНК с каквато и да е базова последователност и да се направят рентгенови структурни анализи на тези кристали, в началото на 80-те години - повече от четвърт век след първия модел, бяха открити неопровержими доказателства за двойната спирала.
Изключителното свойство на двойната спирала се крие в сдвояването на техните бази. Аденинът и тиминът, както и цитозинът и гуанинът, лежат един срещу друг и се държат на място чрез водородни атоми. Ако двете нишки на спиралата са разделени, основите на съответната верига показват как трябва да изглежда противоположната верига на двойната спирала. Само този принцип, че всяка ДНК верига е отрицателната форма на нейната партньорска верига, позволява структурата да бъде копирана, без тя да бъде унищожена или информацията да бъде загубена. Уотсън и Крик вече го разпознаха. "Не е убягнало от вниманието ни, че специфичното сдвояване, което сме постулирали, включва възможен механизъм за копиране на генетичния материал", пишат те - може би най-голямото подценяване в британски стил в историята на науката.
Двамата изследователи обаче не успяха да предоставят доказателства за механизма за копиране. Това беше запазено за Матю Меселсън и Франклин Щал с техния „най-красив биологичен експеримент“, както коментира миналогодишният носител на Нобелова награда Сидни Бренер. През 1957 г. двамата биолози демонстрират, че двойната спирала се отваря като цип по време на репликация. Всяка от двете ДНК вериги остава непокътната и служи като шаблон за синтеза на нова, комплементарна ДНК верига. Това създава две двойни спирали, всяка от които се състои от стара и новопроизведена ДНК верига. Когато клетките се разделят, всяка дъщерна клетка получава такава смесена двойна спирала и няма, както би могло да се очаква, напълно нова двойна спирала на ДНК в дъщерната клетка и стара молекула в родителската клетка.
Днес е трудно да си представим, че изследователите дълго се съмняват в това гениално изобретение на природата. И това само защото не можаха да обяснят как двойната спирала успява да се отпусне за процеса на удвояване - постижение, което цяла компания от различни протеини постига, както по-късно откриха изследователите. След 1953 г. молекулярната биология тръгва с бързи темпове. Първо изследователите се запитаха как информацията, съхранявана в ДНК на клетъчното ядро, може да се превърне в протеин - процес, който протича извън клетъчното ядро. И те се чудеха как градивните елементи на протеините, аминокиселините, могат да бъдат кодирани в основната последователност на ДНК. В допълнение: Как трябва да изглеждат инструкциите за изграждане на протеини - гените, къде трябва да започнат, къде трябва да бъде техният край? Припокриват ли се гените или се съхраняват един след друг в ДНК? Въпрос след въпрос - и въпреки това почти всички от тях бяха решени за по-малко от десет години молекулярна биология. Изследователите установиха
• РНК-пратеникът, ДНК план, който мигрира от клетъчното ядро в клетъчната течност и се използва там като ръководство за изграждане на протеинов синтез,
• тРНК (трансферна РНК), която доставя аминокиселините, необходими за производството на протеини и
Още през 1954 г. руският физик Джордж Гамов постулира, че ДНК трябва да има код. Заедно с Франсис Крик той развива идеята, че комбинации от три основи всяка може да представлява една аминокиселина. Така че 43 или 64 различни комбинации от три, така наречените кодони са възможни. И накрая, през 1965 г. значението на всички кодони беше известно. Никой не се използва:
• 60 кодона програмират аминокиселини, като някои аминокиселини са кодирани от няколко кодона, други само от един.
• Останалите 4 кодона се оказаха начален и три стоп сигнала, които показват началото и края на гена.
Въз основа на новите си данни учените скоро формулират теза, която и до днес е „централната догма на генетиката” в учебниците: „Генът прави пратеник РНК, пратеник РНК прави протеин.” Но тази идея беше вярна твърде лесно, както се оказа през годините. Изследователите откриват редица любопитства, особено в геномите на висшите организми:
• гени, които скачат в генома, • гени, които се повтарят дванадесет пъти и
• Гени, чиито кодиращи части - наричани от изследователите екзони - многократно се прекъсват от некодиращи последователности - интроните. Въпреки че цялата генна последователност произвежда информационна РНК от началото до края, интроните са изрязани от нея.
Учените все още трябва да извървят дълъг път, преди да стигнат до тези открития, започнали в края на 60-те години с откриването на рестрикционните ензими от швейцареца Вернер Арбер. Тези ензими работят като ДНК молекулярни ножици. Те разпознават определени последователности на ДНК и ги разделят в този момент. С помощта на тези ензими беше възможно да се намали ДНК целенасочено, да се рекомбинира, да се вмъкне в бактерии и да се види как микробите реагират на нея. Свойствата на организмите са станали манипулируеми, генното инженерство стана възможно.
През последните 20 години чрез изследвания на ДНК се случи невероятно нещо: учените не само се научиха да произвеждат генетично модифицирани бактерии, но и създадоха нови растения и животни с модифицирани гени. Тези организми помогнаха за решаването на биологични и медицински пъзели и те се превърнаха в основен икономически фактор. През 1976 г. Genentech стана първата компания, която се препитава с генно инженерство - днес има хиляди такива компании. Още през 1977 г. Genentech съобщава, че първият човешки протеин се произвежда там в бактерии: соматостатин, протеин, който инхибира растежните хормони. Беше започнала ерата на индустриалното генно инженерство. Днес човешкият инсулин с генно инженерство помага на стотици хиляди диабетици всеки ден. Генното инженерство също си проправи път в селското стопанство. Въпреки че дискусията за това дали генетично модифицираните култури са екологично безвредни е все още интензивна и ограничителните закони в Европа ограничават търговията с такива растения и храните, получени от тях, генетично модифицирани растения царевица, соя и рапица растат на американския континент Милион хектара обработваема земя.
И накрая, 90-те години бяха времето за развитие на нови технологии, автоматизация, геномни изследвания и медицинска молекулярна биология. Докладите за гени, които причиняват наследствени заболявания или които са свързани с често срещани заболявания като диабет, високо кръвно налягане или затлъстяване, изглеждаха направо инфлационни. Досега тези знания се използват главно за по-добри диагностични методи, например за откриване на наследствени заболявания. През следващите няколко десетилетия се очакват нови терапии.
Преди добри десет години все още беше лесно да се попълнят няколко докторски дисертации с изолиране, секвениране и функционален анализ на един ген. Днес биочиповете могат да бъдат използвани за тестване не само на функцията на ген, но и на хиляди гени в един експеримент. А секвенирането на цели геноми на микроби отнема само няколко дни благодарение на автоматизирани системи и нов софтуер. Вярно е, че геномните последователности не разбират пряко как се развива или функционира организмът. Но знаейки, че все още е много полезно. Когато бяха сравнени последователностите на сродни организми, се оказа, например, че ходът на еволюцията може да бъде отчетен от тях.
ДНК е роднински архив: Приликите и разликите в генетичната информация отразяват не само родството на два индивида, но и това на различни видове. Още през 1949 г. генетичният изследовател Макс Делбрюк прогнозира с огромна далновидност: „Всяка жива клетка носи опита от експерименти, направени от нейните предци в продължение на милиард години“.
„Изчисляването на ДНК“, както се нарича в съвременния немски, е сложно и със сигурност трябва да се направи много, преди да се разработят машини за изчисляване на ДНК. Но дори елементарни биологични процеси като репликацията на ДНК и регулирането на протеиновия синтез не са напълно проучени. Дори структурата на нашите хромозоми все още крие тайни.
50 години след откриването си, двойната спирала все още е в центъра на общественото внимание. Докато безброй авантюристи са тичали по най-високата планина на земята, вече не се разстройват от Playboy и рядко си спомнят Сталин или Чърчил, двойната спирала е по-голяма от всякога. Не само в науката, но и в изкуствата и икономиката и дори в политиката - поне във Великобритания и САЩ.
Германските политици обаче не празнуват ДНК годишнина. Ханс Лерах не е изненадан: „Германските изследователи са дешифрирали част от човешкия геном, но когато Клинтън и Блеър публично обявиха резултата от тези международни съвместни усилия, германският канцлер също не беше там.
• Преди петдесет години в Кеймбридж, Англия, Франсис Крик, Джеймс Уотсън, Розалинд Франклин и Морис Уилкинс откриха как изглежда ДНК, най-голямата молекула в света.
• Теорията за двойната спирала на ДНК първоначално беше противоречива, но скоро развълнува много учени.
• С декодирането на структурата на ДНК беше дадено зелено решение за съвременната молекулярна биология и по този начин за търговското използване на генетична информация.