Логіка подвійної спіралі ДНК

Гострі колізії починалися з перших же кадрів. Тут була боротьба і загибель, незбагненні складності взаємин і все перекреслюючі конфлікти, з яких немає вже іншого виходу, крім смерті. І в усьому цьому — ні тіні домислу, перебільшення. Тільки життя – оголене і нехитре, що зароджується і згасає на рівні несвідомого. Бо таке життя клітин. Фільм демонструвався вперше. І в залі сиділи в основному цитологи, фізіологи, цитогенетнки. Багато чого з того, що відбувалося на екрані, було їм добре знайоме. Але зазвичай їм доводилося спостерігати лише окремі етапи цих подій. Для ока, озброєного тільки мікроскопом, картини народження і вмирання, зростання і взаємодії клітин невловимі, повільні. Але перенесені на екран в багаторазовому прискоренні, вони виплеснулися на нього — нестримні.

І коли в напівтемряві залу зазвучав неголосний голос, що дає пояснення до фільму, кінокадри почали знаходити майже сюжетну стрункість. Професор Мажуга весь час привертав нашу увагу до деталей, до тонкощів дії, що розгорталися там:

— Лімфоцити, розвиваючись поруч з ретикулярними клітинами і макрофагами, постійно прагнуть зблизитися з ними…

Верткими чорними жучками оточили лімфоцити сіре аморфне тіло макрофага. Вони ковзають уздовж нього, линуться до нього.

І слово «прагнуть» раптом виявляється разюче точним. Я ловлю себе на думці, що рух клітин лякаюче одухотворений, в ньому чудиться мета і усвідомленість. Вмирають клітини теж по-справжньому: не бажаючи цього, опираючись і тривожно намагаючись повернутися до руху, повільно згасаючи.

Так, звичайно, я знаю: тремтячі в світному прямокутнику клітини – не одкровення. Експериментатори не раз вже вдавалися до методу екранного примушування клітинного життя. Але варто було поставити нові питання, і об’єктив націлився на те, що раніше залишалося поза увагою, а екран заговорив про невідомі раніше події, підглянуті у живій матерії.

Про те, як нескінченно залежні лімфоцити від своїх побратимів по лімфоїдній системі — ретикулярних клітин і макрофагів, як вони постійно підгодовуються поряд з цими пожирачами всіх речовин і мікроорганізмів, які потрапляють в організм ззовні і представляють для нього небезпеку, і, нарешті, як самі лімфоцити стають головною ударною силою імунних реакцій і, перетворившись в так звані плазматичні клітини, що виробляють антитіла, відомі своєю непримиренністю до всього чужорідного.

А за суєтою хитких зв’язків, нескінченних пересувань, драматичних зіткнень — долі окремих клітин. Це вже інший тематичний пласт. Але він теж передбачений творцями фільму. Для них життєвий шлях клітинного індивідуума – канва, по якій простежуються всілякі перевтілення клітин. А це як раз те головне, до чого прикута їх увага ось вже багато років, ще з того давнього часу, коли доктор біологічних наук П. М. Мажуга тільки починав свої дослідження в Інституті зоології, де очолив відділ цитології і гістогенезу. Ось тоді-то і була задумана ціла серія спостережень за життям і поведінкою клітин.

Від цих досліджень чекали багато чого. Але було питання питань — з нього все починалося, до нього все зводилося. Як відбувається спеціалізація клітин? Яким чином вони — спочатку всі однакові, знеособлені, на якомусь етапі стають клітинами серця або клітинами мозку, навчаються виробляти гормони або захищати організм від чужих йому речовин? Адже у витоків організму, в зародку, всі клітини однакові. І несуть вони одну і ту ж генетичну інформацію. У ній повний набір відомостей про ту унікальну живу конструкцію, в яку безликим крупицям життя ще тільки належить скластися.

Але ось, немов підкоряючись чіткому наказу, клітини зародка починають видозмінюватися. Кожне нове покоління виявляється більш спеціалізованим, більш підготовленим для виконання якихось конкретних, обмежених обов’язків. При цьому кожна група реалізує лише невелику частину укладеної в них інформації. І всі вони, виявляється, знають, який же шматочок генетичної інструкції призначений саме для них. Вони зчитують його, формуючи свою архітектуру і готуючи себе до роботи в конкретних органах. Одночасно вони рухаються в пошуках своїх майбутніх сусідів. І ніякі сили не можуть змінити подальшого ходу подій: купки однотипних клітин об’єднуються, готові стати певною тканиною.

Незбагненний, приголомшливий механізм! Саме він перетворює грудку живої плоті в організм. Саме завдяки йому біологічні процеси вінчаються самим дивовижним таїнством природи — народженням індивідуальності. Але й потім, у вже сформованому організмі, продовжують діяти загадкові сили, що забезпечують розподіл обов’язків між клітинами.

«Зв’язати воєдино події на клітинному рівні і складні явища, з якими ми стикаємося на рівні організму». Це, мабуть, сама безперечна теза в біології наших днів. Сформулював її один з найпопулярніших сучасних генетиків Д. Уотсон. Але безперечність мети далеко не завжди має на увазі чітке бачення всіх провідних до неї шляхів. Ясно тільки: таких шляхів багато. Професор Мажуга і його колеги пішли одним з них — вони серед тих, хто задався метою осягнути загадку диференціації.

Час, обведений навколо пальця

ДНК їх замучила. До всього причетна, вона залишалася майже законспірованою в клітині. Вони знали про неї набагато менше, ніж, скажімо, про білки, всі властивості яких зумовлені нею, ДНК. Це вона передає білку закодовані вказівки, яким йому бути, що робити в організмі. І звичайно ж, саме їй належить режисура в тих якісних перевтіленнях, які зазнають клітини в ході диференціації.

Пам’ятаю поділ клітини, яким побачила його на екрані. Майже правильний овал починає деформуватися, розтягуватися і повільно розходитися. І ось вже дві нові клітини зі своїм вмінням працювати в даному, точно певному місці організму вливаються в сонм інших, вже працюючих.

Цей, загалом-то не вражаючий уяви процес — головний двигун життя. Без нього не було б розвитку як біологічного явища. Але статися він може тільки в тому випадку, якщо його підготує ДНК.

В цитологічній лабораторії мені малювали простеньку схему життєвого циклу клітини — кільце, розділене на кілька відрізків. Один з них – це час поділу, мітозу. Поруч два інших відрізка, побільше, – передмітозний і післямітозний етапи клітинного життя.

У предмітозному періоді клітина готується до поділу, мітоз подвоює свій матеріал. А передує цій процедурі самокопіювання, або, як ще кажуть, реплікація ДНК: подвійна спіраль поступово розходиться на два ланцюжки, уздовж кожного з яких будується доповнююча її пара.

Отже, замість однієї макромолекули ДНК утворилося дві, точно такі ж, як вихідна. Ось тепер-то починається мітоз. Ця жорстка залежність спрацьовує безвідмовно: спочатку реплікація ДНК і тільки потім мітоз.

Але ось залишився позаду і акт поділу. Здавалося б, кінець складнощів: дочірні клітини вступають в період, коли все в житті клітини повинно повторюватися знову і знову, робота і ділення, знову робота і ділення.

«Не шукайте в істині простоті», — застерігали стародавні. Особливо безнадійно шукати її в біологічних істинах, що демонструють час від часу прямо-таки вишукані складності. На цей раз сюрприз піднесли клітини, які чомусь не «за правилами» розпоряджалися часом, відведеним їм на післямітозний період. Коли експериментатори виявили, що саме при цьому відбувається, вони — в який вже раз! — здивовано розвели руками. А американський цитолог Д. Мезія з дуже серйозною інтонацією констатував: «Вони обводять навколо пальця час!».

Приблизно половина клітин кожного покоління порушує геометричну стрункість схеми. Замість того, щоб приступити до підготовки нового поділу, вони надовго заглиблюються в роботу.

Але найважливіше те, що саме вони і тільки вони стають працюючими елементами органу. На інших їх родичів, що живуть «за правилами», лежить обов’язок репродукції нових клітин, які, в свою чергу, поділяться на працівників і відтворювачів. Отже, існує як би другий рівень спеціалізації. Це спеціалізація внутрішня, що відбувається серед клітин, вже цілком сформованих і диференційованих.

Найбільше спантеличувало в цьому механізмі те, що відтворювачі, які самі ніколи не працювали, дають життя новим трудівникам. Значить, вони несуть в собі те, що прийнято називати специфічною інформацією, — вказівка, що і як повинні робити клітини даного органу. І нехай ця інформація ніяк не впливає на власну долю клітин-відтворювачів, вони її зберігають. Реалізувати її судилося їх нащадкам. Не всім, тільки половинці. Інша ж половина понесе її далі, до нових поколінь.

І погляди молекулярних біологів звернулися до ДНК. Заволоділа титулом “спадкової речовини” і наречена Уотсоном “самою золотою з усіх молекул”, як управляє вона поділом? Як — розгортанням специфічної інформації? Чи бере участь в самому, бути може, тонкому, інтимному процесі уподібнення багатьох клітин одна одній?

І одного разу сторінки з описом чергового експерименту були відкладені в сторону, і на чистому листку паперу олівець виписав три букви — ДНК. Це було, як давно стримуваний глибокий вдих.

В пошуках неіснуючого білка

Чистий аркуш з багатозначною криптограмою – ДНК і питання – лежало на столі. Самим безперечним тут було питання. Воно вміщувало в себе всі ті «чому», «навіщо», «як» і «звідки», які стояли поруч з ДНК кожен раз, коли з ним стикався біолог.

Але зараз професор Мажуга не шукав відповіді на питання, що виростають безпосередньо з його роботи. Завдання було більш загальним, але саме тому обіймало все те приватне, в чому потрібно було розібратися. Адже не осмисливши головної задумки, за якою природа сконструювала ДНК, не зрозуміти багато чого в поведінці цієї дивовижної молекули. Тому-то дослідники все знову і знову намагаються усвідомити собі ідею дволанцюговості ДНК, розгадати, яка функція кожного з цих ланцюжків.

Знайшлася цікава ниточка, яка повела по сходинках фактів. Нею став механізм розгортання спадкової інформації, який набув вже цілком хрестоматійного вигляду. Його закономірності в деталях простежені молекулярними біологами: ДНК стає матрицею для інформаційної РНК, яка потім несе отриману інформацію до місця будівництва білка. І-РНК синтезується на одному з ланцюжків ДНК. А що ж другий ланцюжок? Невже він, дійсно, як це йому частенько приписують, просто дублює перший? Невже І-РНК синтезується в клітині одночасно на двох спіралях ДНК? Саме ці питання і хвилювали Київського дослідника.

Відомо, що кожній амінокислоті в білковій молекулі завжди відповідає певне кодове слово в нуклеїновій кислоті — структура з трьох нуклеотидів (триплет). Отже, точно знаючи будову білка, можна перевести мову амінокислот на мову нуклеотидів, відтворивши спочатку РНК, а потім і ДНК, яка поставила програму для синтезу даного білка.

Прекрасним об’єктом для такої ретроградної реконструкції виявився інсулін. Це один з перших білків, які вдалося синтезувати в лабораторних умовах. Вже точно відомі амінокислотний склад і структура його молекули. Залишалося тільки перевести послідовність всіх його амінокислот на відповідні кодони І-РНК, а потім на триплети ДНК. Так вийшов ряд, що відтворює послідовність нуклеотидів в тому ланцюжку ДНК, який став джерелом інформації для інсуліну. Ось вже відновлений ланцюжок ДНК, що доповнює той, який брав участь в синтезі, комплементарний йому. Далі зовсім нескладно “обчислити” І-РНК, яка могла б утворитися на ньому, а там — і відповідний білок.

На жаль, перед дослідником розгорнувся фантастичний ланцюг, де безглузді кодони, які не несуть жодної інформації, вишикувались один за одним, нічого не позначаючи і все заперечуючи. Вони заперечували себе, заперечували яку б то не було можливість побудувати білок на другому ланцюжку ДНК.

Але, може бути, так поводиться тільки інсулін? Ще три білка піддаються ретроградній реконструкції. Знову той самий шлях і той самий красномовний фінал. Що ж, цього слід було очікувати. Зрештою, додатковість якраз виключає однаковість.

Молекула, яка зрадила собі

Роздуми над двома ланцюжками ДНК по суті завершені. Є навіть резюме: «ланцюжки подвійної спіралі ДНК нерівнозначні за змістом. Інформацією для біосинтезу в клітині наділена лише одна половинка ДНК. Саме в ній закодовані розпорядження, що визначають поведінку клітин».

Але прямо з нього, цього резюме, валом валять питання, з якими щось потрібно робити. Чому ланцюжки ДНК функціонують тільки в парі? Адже природа не буває марнотратною. Для чого ж вона створила саме подвійну спіраль? Які функції поклала на другий ланцюжок?

Питання міцно осіли в підсвідомості, і їх витягує звідти найменша асоціація. Але фраза, випадково почута в інститутському коридорі, була взагалі про інше: «Він раніше працював з фагами, а ось тепер…» Реакція спрацювала раніше, ніж сенс фрази дійшов до свідомості. Фаги! Найбільший парадокс “золотої молекули”! Та форма життя, де ДНК зрадила собі, зрадила двоспіральності.

Так трапляється часто; саме виключення з правила допомагає пояснити саме правило. Коли П. М. Мажуга взявся за перо вже для того, щоб розкрити логіку двоспіральності, він почав із нагадування про те, що деякі фаги містять одноланцюгову ДНК.

Уявімо собі: фаг вражає бактерію. Його одноланцюгова ДНК проникає в клітину. Це як переворот. Весь обмін в тілі бактерії перемикається на синтезування нових, чужих їй речовин. Зате вони потрібні фагу. Тільки так він зможе відтворити себе, дати життя своєму потомству. Але щоб все це сталося, войовнича прибулиця повинна побудувати собі партнерку в клітині. І ось саме друга, новостворена нитка ДНК стає матрицею для фагової РНК, саме вона примушує клітинний механізм біосинтезу працювати на себе. А що ж вихідний ланцюжок?

В даному випадку його функції зрозумілі: він приніс спадковий код, за яким переможена клітина створювала нащадків фага. Але хіба це не підказка для більш широкого узагальнення?

Бездіяльний ланцюжок – це джерело генетичної інформації в повному сенсі слова, говорить професор Мажуга. Саме він, що не бере участі в синтезі І-РНК (а значить, і білків), є вихідною структурою. У ньому закладена повна програма будівництва, яка реалізується вже без його участі. Цю програму він передає на комплементарний ланцюг ДНК, що народжується для того, щоб стати фактичним виконавцем.

В чому сенс, біологічна доцільність такої спеціалізації? Теоретичне анатомування ДНК дало витончену ідею. Тоненький рукопис, який почався з трьох букв і знаку питання, а потім занурився в майже схоластичні глибини теорії, зрештою, перекинув місток до широких узагальнень і заговорив про життя як явище гнучке і стійке при всій його крихкості.

Організм народжується, розвивається, старіє. Все його життя — це безперервний контакт із середовищем. Від нього багато в чому залежать особливості його індивідуального розвитку. А як зі спадковістю? Чи вразлива вона для зовнішніх впливів? Звичайно. Все живе постійно піддається впливам, що діють на спадковий апарат клітини і змінюють його.

Як же стрімко повинна ламатися, перекроюватися, спотворюватися спадковість в цьому потоці впливів. Здавалося б, достатньо двох-трьох поколінь, щоб виникали зовсім нові організми, не схожі на своїх предків. Однак нічого подібного не відбувається. Спадкові зміни в природі відносно рідкісні і нечисленні.

Зараз відкрито вже багато ланок, що забезпечують генетичну стійкість клітин. Але схоже, що двоспіральність відіграє тут провідну роль. Справді, для підтримки біологічного процесу потрібен внутрішній контроль, який допомагав би живій системі своєчасно усувати можливі помилки, відхилення, пошкодження. Ось тут і спрацьовує двоспіральність. Кожний з ланцюжків ДНК – стабільний шаблон, за яким виправляються відхилення, що виникли в молекулі. І тільки зміни, що торкнулися обох ланцюжків, можуть внести корективи в саму програму і закріпитися в структурі ДНК, якщо до того ж прорвуться і крізь всі інші захисні механізми.

…Переорюють Землю геологічні та історичні епохи. Змінюють один одного покоління всіх її мешканців. Але тисячоліттями зберігаються певні їх види, стійкими залишаються ознаки, що переходять від батьків до дітей. І в основі цієї перевіреної століттями стабільності — крихітний механізм, що забезпечує самовідновлення молекули ДНК.

Миттєвості, миттєвості, миттєвості

Чіткі темні мітки мерехтять в окулярі мікроскопа: скоро поділ. І знову апаратура ловить кожну мить життя клітин. А потім вона так само пильно буде придивлятися до їх нащадків. Тому що кожне покоління — це нова сходинка і новий стан. І як раз на стиках цих станів священнодіє ДНК, подвоюючись і готуючи репродукцію — появу нових клітин.

Репродукція як естафета. Від покоління до покоління несуть клітини свої зашифровані можливості. Реалізують їх вони кожен раз, як це найпотрібніше організму. Вони стають то трудівниками, то відтворювачами. І, вірна собі, залишається в тіні досвідчена розпорядниця естафети – подвійна спіраль.

У тому, що вона дійсно розпорядниця, сумнівів вже немає. Факти про це мовчать, але говорить інтуїція дослідників. Вони впевнені: вона виносить з надр клітин глибинну команду, що визначає їх власну поведінку і долю їх нащадків. Воістину розуміти іноді потрібніше, ніж знати.

Автор: Галина Торжевська.