Нуклеиновые кислоты впервые были открыты в ядре человеческих клеток швейцарским исследователем Фридрихом Мишером в 1869 г. В начале XX века биологам и биохимикам удалось выяснить структуру и основные свойства клетки. Было установлено, что одна из нуклеиновых кислот, ДНК, представляет собой чрезвычайно большую молекулу, состоящую из структурных единиц, названных нуклеотидами, каждый из которых содержит азотистые основания.
Морис Уилкинс и Розалин Франклин, ученые из Кембриджского университета, провели рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и показали, что они представляют собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные привели американского биохимика Джеймса Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. Национальное общество по изучению детского паралича выделило субсидию. В октябре 1951 г. в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Уотсон занялся исследованием пространственной структуры ДНК совместно с Джоном К. Кендрю и Френсисом Криком, физиком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.
Уотсону и Крику было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), каждая из которых состоит из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырех азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК – урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися и в феврале 1953 г. сделали сообщение о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.
Согласно модели Крика – Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином. С помощью этой модели можно было проследить репликацию самой молекулы ДНК. По Уотсону и Крику, две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что очень похоже на расстегивание застежки-молнии. Из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.
ДНК выполняет чрезвычайно важную роль, необходимую как для поддержания, так и для воспроизведения жизни. Во-первых, это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из ее цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида – триплет. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной цепи, представляют собой так называемый ген. Вторая функция ДНК – передача наследственной информации из поколения в поколение. ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка.
Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 г. «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи». В речи на презентации А.В. Энгстрем из Каролинского института охарактеризовал ДНК как «полимер, составленный из строительных блоков нескольких типов – моносахарида, фосфата и азотистых оснований… Моносахарид и фосфат – повторяющиеся элементы гигантской молекулы ДНК, кроме того, она содержит четыре типа азотистых оснований. Открытием является порядок пространственного соединения этих строительных блоков».
В 1969 г. ученые впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 г. – искусственный ген. В конце XX века стало возможным создание полностью искусственных микроорганизмов. Так, в лабораториях были созданы искусственные бактерии, вырабатывающие необычные для них аминокислоты, а также жизнеспособные «синтетические» вирусы. Ведутся работы по созданию более сложных искусственных организмов – растений и животных.
Изучение структуры и биохимии ДНК привело к созданию методики модификации генома и клонирования. В 1980 г. был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1996 г. на свет появилось первое клонированное млекопитающее – овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны.
В 2002 г. был успешно завершен проект «Геном человека», в ходе которого была создана полная генетическая карта человеческих клеток. И в том же году начались попытки клонирования человека, хотя пока ни одна из них не завершена (по крайней мере, научные данные об успешном клонировании человека отсутствуют).
Еще в 1978 г. был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрен в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 г. впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырехлетней девочке, страдавшей тяжелым расстройством иммунитета. Сейчас полным ходом идет изучение генетических механизмов развития самых разных заболеваний – от рака до артрита – и поиск методов исправления вызывающих их генетических «ошибок». А всего в клинической практике применяется более 350 препаратов и вакцин, при создании которых используется генная инженерия.
Анализ ДНК нашел широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства (кстати, этот метод стал настоящим подарком для музыкантов, политиков и актеров, которые были вынуждены доказывать в суде свою непричастность к рождению приписываемых им детей), а также для установления личности преступника. Стоит отметить, что о подобной возможности использования ДНК говорил еще сам Джеймс Уотсон, предлагавший создать базу данных, в которую вошли бы персональные структуры ДНК всех жителей планеты, что позволило бы ускорить процесс идентификации преступников и их жертв.
С помощью ДНК можно «ловить» не только преступников, но и, например, наркотики или биологическое оружие. Американские криминалисты используют систему контроля структуры ДНК растений-наркотиков для создания базы данных обо всех разновидностях марихуаны. Эта база позволит отследить источник практически любого образца наркотиков. В скором будущем в США начнут применяться основанные на анализе ДНК методы обнаружения биологических атак – планируется установить в общественных местах специальные датчики, которые будут автоматически «вылавливать» из воздуха опасные микроорганизмы и подавать предупреждающий сигнал.
В 1982 г. была впервые проведена успешная модификация генома растения. А пять лет спустя на полях появились первые сельскохозяйственные растения с модифицированным геномом (это были помидоры, устойчивые к вирусным заболеваниям).
Сейчас с помощью генной инженерии выращиваются практически все продукты питания, особенно такие культуры, как соя и кукуруза. С 1996 года, когда началось коммерческое использование генетически модифицированных продуктов, общая площадь их посевов возросла в 50 раз. Общая площадь посевных площадей под трансгенными культурами в мире в 2005 г. составила 90 млн га. Правда, правительства многих стран запретили выращивание и ввоз таких продуктов, так как ряд исследований показали, что они могут представлять опасность для здоровья человека (аллергия, поражение репродуктивной функции и др.).
Возможность изучения структуры ДНК позволила придать новый импульс историческим исследованиям. Так, например, были идентифицированы останки Николая Второго и его семьи, а также подтверждены и опровергнуты некоторые исторические сплетни (в частности, было доказано, что один из основателей США Томас Джефферсон имел незаконнорожденных детей от чернокожей рабыни).
С помощью анализа ДНК удалось проследить происхождение и людей, и целых народов. Например, было показано, что гены японцев практически идентичны генам одного из племен Центральной Америки. А чернокожие американцы всего за 349 долларов могут узнать, из какого района Африки и даже из какого племени происходили их предки, привезенные на невольничьих кораблях много лет назад.
Что даст нам ДНК в ближайшем будущем? Очевидно, это будет клонирование человека и его органов, что решит проблему нехватки донорских сердец и легких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания…
Нуклеиновые кислоты впервые были открыты в ядре человеческих клеток швейцарским исследователем Фридрихом Мишером в 1869 г. В начале XX века биологам и биохимикам удалось выяснить структуру и основные свойства клетки. Было установлено, что одна из нуклеиновых кислот, ДНК, представляет собой чрезвычайно большую молекулу, состоящую из структурных единиц, названных нуклеотидами, каждый из которых содержит азотистые основания.