МИР БОТАНИКИ
ПРОТЕИНЫ — ПОДЛИННЫЕ ТВОРЦЫ ЖИЗНИ?
Это случилось 15 мая 2000 года на пресс-конференции в Белом доме, где руководитель фирмы «Cetera Genomics» Крейг Вентер заявил: «Это — величайшее событие за все сто тысяч лет человеческой истории…» Сенсацией стала «расшифровка» генома — совокупности человеческих генов.
Сразу же оговоримся, что под фразой «расшифровка генома», столь прижившейся на страницах журналов и газет, здесь и далее понимается составление точной последовательности нуклеотидов, что содержатся в молекуле человеческой ДНК, а не открытие всех имеющихся в ней генов.
В то же время в Лондоне проходила другая пресс-конференция, на которой главный редактор авторитетного журнала «Nature» Филип Кэмпбелл урезонивал ликующую публику: «Я перестаю понимать что-либо. Карта генома составлена на 97 процентов, расшифрована всего на 85 процентов, а истолкована лишь на 24 процента. Для чего они устроили эту пресс-конференцию?»
Многие противники Вентера также не понимали шумихи, развязанной вокруг расшифровки генома, ведь знание последовательности четырех нуклеотидов, из которых составлена нить ДНК, еще не дает никакого представления о том, как действует вся эта схема. Точно так же детали автомобиля, сложенные в одну огромную коробку, не помогают понять, с какой скоростью машина, собранная из них, домчится из пункта А в пункт В.
Важно знать не только набор непонятных значков, но и разобраться, где в этом странном тексте скрыты те или иные слова (гены). В генах — отдельных значимых участках ДНК — заложена информация о том, как изготавливать различные протеины и ферменты: эти вещества руководят всеми химическими процессами, протекающими в организме. Именно от генов зависит, какой протеин или фермент будет построен или с какой частотой будут повторяться соответствующие химические процессы.
Однако выявить гены нелегко. Точное число их неизвестно. В спирали ДНК имеется три миллиарда двести миллионов нуклеотидов, но в основном это «биологический» мусор, «чистая пленка», на которой ничего не записано. Гены занимают очень небольшую часть ДНК — около пяти процентов. Поэтому, даже расшифровав геном, ученые остаются в неведении, где тут гены, а где ничего не значащие участки. Представьте себе, что перед вами лежит видеокассета без всяких ярлычков. Разве вы сумеете по внешнему виду определить, есть ли на ней запись или нет?
Итак, надо выделить все наши гены, а потом выяснить, какую роль они играют в человеческом организме. Сразу же возникает один серьезный вопрос: сколько у человека генов? Еще учебники по биологии, написанные в 70-е годы прошлого века, утверждали, что у человека имеется от 70 до 100 тысяч генов. Лаборатории, занятые расшифровкой генома, поначалу надеялись, что удастся обнаружить (и запатентовать!) 150 000 генов. Однако по новейшей оценке ученых у нас всего 40 000 генов. Выходит, что в организме человека — «венца природы», способного на сложнейшие действия, только в два раза больше генов, чем в тельце червя Caenorhabditis elegans, состоящего всего из 959 клеток.
Странно! Неужели мы мало чем сложнее червя? Для чего нужен весь остальной «хлам»? Непонятно назначение всех этих «пустых» участков генома. Словом, поиск и истолкование генов, очевидно, займет гораздо больше времени, чем «расшифровка» генома. Вот они, многолетние будни генетиков!
Но вначале был праздник. «Мы делаем что-либо не потому, что это легко, а потому, что это тяжело. Только так можно достичь величия» — такими словами в понедельник 26 июня 2000 года президент США Билл Клинтон объявил об «одном из величайших достижений мысли за всю историю человечества». Впрочем, последнюю оценку дал не Клинтон, а один из главных участников этого события — Майкл Декстер, руководитель британской части международного проекта HGP (Human Genom Project — Проект по изучению человеческого генома).
В торжестве в Белом доме, благодаря спутниковой связи, принимали участие британский премьер Тони Блэр, а также исследователи генома Крейг Вентер и руководители проекта HGP. Конечно, пришлось проявить дипломатические таланты, чтобы одновременно пригласить непримиримых соперников в области расшифровки ДНК При составлении карты человеческого генома между ними шел упорнейший спор. Сотрудники фирмы Celera оказались быстрее, расшифровав за полтора года, как сообщил Вентер, 99 процентов генома. Их конкурентам, участникам проекта HGP, потребовалось 10 лет, чтобы разгадать 97 процентов генома.
«По своему значению это превосходит высадку человека на Луну. Я могу сравнить это открытие лишь с изобретением колеса, — восторженно заявил Майкл Декстер, явно укрупняя масштаб достигнутого. — Генетический код является квинтэссенцией человечества и будет актуальным, пока существуют люди».
Отклики прессы тоже были самыми восторженными. Газета «Нью-Йорк таймс» оповестила читателей о «революции в медицине». Произошло «важнейшее событие в науке за последние сто лет» — вторила ей канадская газета «Глоб энд мейл».
Ученые сумели отвоевать у природы тайный план, по которому построен человеческий организм. Теперь, заявил Билл Клинтон, «мы научимся понимать язык, на котором Бог сотворил жизнь».
Эти события оказались в центре внимания СМИ, а вот другие недавние достижения генетиков — расшифровка геномов ряда животных (в основном микроорганизмов) — остались в тени. Еще весной 2000 года фирма Celera представила последовательность генов плодовой мушки Drosophila melanogaster, непременной участницы почти всех генетических открытий. В октябре того же года был расшифрован геном мыши — важнейшего модельного организма, помогающего исследовать человеческие болезни.
Прочитаны также геномы более полусотни микробов. Есть в этом списке и возбудители опасных заболеваний, например, туберкулеза и менингита. Ученые детально исследовали также геном бактерии Pseudomonas aeroginosa, вызывающей газовую гангрену. Теперь они выясняют, каким образом эти бактерии поражают человека и размножаются в нем, что в дальнейшем поможет найти новые методы лечения и создать эффективные лекарства.
Итак, в 2000 году наконец удалось составить точную карту генома человека — получить бесконечный ряд «букв», в котором среди всякого биологического хлама затеряны отдельные «слова», то есть гены. Теперь одни специалисты заняты «биогерменевтикой»: они истолковывают добытую запись, отыскивая среди невнятицы знаков все новые гены. Другие ученые обратились к сотворенному генами — к протеинам.
На первый взгляд структура протеинов кажется очень простой. В их построении участвуют 20 натуральных аминокислот. Все они имеют одну общую формулу. По своей конфигурации аминокислота напоминает букву L. В ее основе лежит группа СН, составленная из атомов углерода и водорода.
Аминокислоты — это соединения, сочетающие свойства и кислоты, и щелочи. Если несколько аминокислот соединены друг с другом, возникает протеиновая цепочка. Ее можно сравнить с жемчужным ожерельем, где вместо жемчужин нанизаны аминокислоты. Схема расположения аминокислот четко определена генами.
В водном растворе цепочка аминокислот сворачивается в характерный клубок, каждый протеин имеет свою особую пространственную структуру. Сейчас известно лишь в общих чертах, по каким законам образуется этот клубок. Пока ученых больше всего изумляло разнообразие имеющихся в природе вариантов. Так, протеиновая цепочка, состоящая всего из 90 аминокислот, может в принципе образовать до десяти в восьмидесятой степени (единица с 80 нулями!) различных пространственных структур. Правда, из всего этого разнообразия в природе может реализоваться в виде биологически активных молекул лишь очень небольшое число вариантов.
Объясняется это разнообразие тем, что в клубке аминокислот между атомами соседних витков возникают особые водородные связи. Они устанавливаются между атомами водорода, с одной стороны, и атомами кислорода, азота и серы, с другой стороны.