БИБЛИОТЕЧКА •КВАНТ•

ВЫПУСК 25

МЛ. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ

САМАЯ ГЛАВНАЯ МОЛЕКУЛА

Москва «Наука»

Главная редакция физико-математической литературы

1983

28.070 Ф83

УДК 574/578

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ:

Академик И. К. Кикоин (председатель), академик А. Н. Колмогоров (заместитель председателя), доктор физ.-мат. наук Л. Г. Асламазов (ученый секретарь), член-корреспондент АН СССР А. А. Абрикосов, академик В. К. Вайнштейн, заслуженный учитель РСФСР

Б. В. Воздвиженский, академик} В. М. Глушков |, академик П. Л. Капица, профессор С. П. Капица, академик С. П. Новиков, академик Ю, А. Осипьян, академик АПН РСФСР В. Г. Разумовский, академик Р. 3« Сагдеев, кандидат хим. наук М. Л. Смолянский, профессор #. А. Смородннский, академик С. Л. Соболев, член-корреспондент АН СССР Д, К. Фаддее», член-корресаондент АН СССР И. С. Шкловский

Франк-Каменецкий М. Д.

Самая главная молекула. Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. —160 с. (Библиотечка «Квант», Вып, 25).— 30 к.

В увлекательной форме рассказано о физических, химических и биологических свойствах самой главной молекулы живой природы —? молекулы ДНК. Особенно большое внимание уделено открытиям последних десяти лет, приведших к возникновению прикладной ветви науки о ДНК —генной инженерии. В книге показано, как идеи и методы точных наук преобразили биологию XX века, Теперь это приводит к рождению новой отрасли техники — биотехнологии XXI века.

Для школьников, преподавателей, студентов.

Ф

2001040000—020

053(02)-83

212-83

ББК 28.070 57.04

Ф

2001040000-020 053(02)-83

Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы, 1983

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие 5

Глава 1, ОТ НОВОЙ ФИЗИКИ К НОВОЙ БИОЛОГИИ 7

Тридцатые годы (7). Фаговая группа (10), Эрвин Шредингер (11). Рентгеноструктурный анализ (13). Уотсон и Крик (17).

Глава 2. ОТ ДНК К БЕЛКУ 22

Как делается белок (22). Генетический код (27). Универсален ли код? (31),

Глава 3. ЗНАКОМЬТЕСЬ: САМАЯ ГЛАВНАЯ МОЛЕКУЛА 33

Она похожа на... штопор (33). Она похожа на оконное стекло (36). Она плавится, но не так, как лед (39). Она похожа на путь человека, заблудившегося в лесу (46),

Глава 4. ПОД ЗНАКОМ ДНК 49

Кризис молекулярной биологии (49). Перелом (54).

Г л а в а 5. МЫ УМЕЕМ ТАСОВАТЬ ГЕНЫ! 57

Вековая мечта человека (57). Плазмиды (60). Бактерия вырабатывает нужный нам белок (62),

Глава 6. ДНКОВЫЕ ТЕКСТЫ 64

Еще раз о кризисе (64). Гель-электрофорез (65). Как читают ДНКовые тексты (67). Первые неожиданности (69), Коды митохондрий (72).

Глава 7. ОТКУДА БЕРУТСЯ ГЕНЫ? 75

Теория эволюции и генетика (75). Расчленённые гены (78)« Прыгающие гены (80).

Глава 8. КОЛЬЦЕВЫЕ ДНК 87

ДНКовые кольца (87). Сверхспирализация и топонзомеразы (90). Зачем нужна сверхспирализация? (94). Физики н математики за работой (96),

Глава 9. УЗЛЫ ИЗ ДНК 105

Об узлах (105). Узлы в полимерах (109). Узлы на однонитевой ДНК (114), Узлы из двойной спирали (115).

Глава 10. ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ — ОПАСЕНИЯ И НАДЕЖДЫ 119

Наука и изобретательство (119). Опасна ли генная инженерия? (120). Генноинженерная фармакология (122). Грядущий золотой век (126).

Глава 11, СПОРЫ ВОКРУГ ДВОЙНОЙ СПИРАЛИ 128

Правы ли Уотсон и Крик? (128). Z-форма (134). Подвижная ДНК (138).

Глава 12. НА ПЕРЕДНЕМ КРАЕ 141

Проблема узнавания (141). ДНК и рак (143).

Словарь терминов 152

ПРЕДИСЛОВИЕ

Из всего, что нас окружает, самой необъяснимой кажется жизнь. Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли способность удивляться. Но пойдите в лес, взгляните так, будто вы их увидели впервые, на деревья, траву, цветы, на птиц и муравьев, и вас охватит чувство беспомощности перед лицом великой тайны жизни. Неужели во всем этом есть нечто общее, нечто такое, что объединяет все живые существа, будь то человек или невидимый глазом микроб? Что определяет преемственность жизни, ее возрождение вновь и вновь из поколения в поколение? Эти вопросы стары как мир, но только нам, живущим во второй половине XX века, посчастливилось впервые узнать ответы. В сущности, ответы оказались не слишком сложными и, главное, ослепительно красивыми. О том, как их удалось получить и в чем они состоят, рассказывается в этой книжке. Центральное место в новой науке молекулярной биологии, которая призвана дать ответ на вечный вопрос: «Что такое жизнь?», занимает молекула ДНК. О ней, главным образом, и пойдет речь. Учитывая интересы читателей «Библиотечки «Квант», а также собственные вкусы, автор уделил больше внимания тем вопросам, при решении которых особенно важную роль играют физика и математика.

Там, где это возможно, автор избегал применения научных терминов. Но совсем без них обойтись невозможно.

Основу жизни составляет большое число достаточно сложных молекул и не называя их, ни о чем рассказать было бы нельзя. Помощь в освоении терминологии призван оказать «Словарь терминов» в конце книги.

Книга написана с таким расчетом, что ее не обязательно читать подряд. Главы в значительной степени независимы друг от друга. Часть из них была опубликована в виде отдельных статей в журналах «Химия и жизнь» и «Квант». Читатель, которому не терпится познакомиться с биологическими проблемами, связанными с молекулой ДНК, может опустить при первом чтении главы 3, 8, 9 и 11.

Июнь 1982 р,

М, Д. Франк-Кажнецкий

«Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году.»

Из письма Макса Дельбрюка Нильсу Бору от 14 апреля 1953 р.

ГЛАВА I

ОТ НОВОЙ ФИЗИКИ К НОВОЙ БИОЛОГИИ

Тридцатые годы

В первой трети нашего века наиболее значительные, революционные преобразования происходили в физике. Создание теории относительности и квантовой механики до самого основания потрясло эту старую науку, дав ей новый, неслыханной силы импульс к дальнейшему развитию как вглубь, в поисках универсальных физических законов, так и вширь, в смежные области.

Одной из главных вех на пути создания новой физики было открытие Резерфордом в 1911 г, атомного ядра. Само существование атома Резерфорда находилось в вопиющем противоречии с основными законами классической физики. На смену старой физике пришла новая, квантовая физика, которая призвана была объяснить устойчивость атомов и их удивительные линейчатые спектры.

Эта теория, разработка которой была начата Планком, Эйнштейном и Бором, нашла замечательно ясную формулировку в 1926 г. в виде знаменитого уравнения Шредингера. Квантовая механика не только позволила физикам решить все головоломки, которые накопились в области атомных спектров. Она поставила на прочный теоретический фундамент всю химию. Наконец-то был понят сокровенный смысл атомного номера в таблице Менделеева! Стал ясен истинный смысл валентности, выяснена природа химической связи, скрепляющей атомы в молекулах.

К началу тридцатых годов у физиков появилось ощущение всемогущества. Итак, с атомами все ясно, с молекулами тоже, что там еще? Ага, не понятно, как устроено атомное ядро. Занялись ядром. «Ну, здесь вряд ли есть работа на всех», — считали лидеры. «Надо бы придумать что-нибудь покрупнее». И их взоры обратились к святая святых, к тому, о чем физики раньше не могли и помышлять — к самой жизни. Не поможет ли новая физика разгадать тайну жизни? Или, может быть, наоборот, окажется, что жизнь противоречит квантовой механике и тогда придется опять изобретать какие-то новые законы? Это было бы особенно интересно.

В то время молодой немецкий физик-теоретик Макс Дельбрюк искал себе занятие по вкусу. Он попробовал заняться квантовой химией, потом ядерной физикой. Интересно, конечно, но ие очень. И вот, будучи на стажировке в Институте Бора в Копенгагене, он в августе 1932 г. попал на лекцию Бора на Международном конгрессе по световой терапии. Лекция называлась «Свет и жизнь». В ней Бор поделился своими мыслями о проблеме жизни в связи с последними достижениями квантовой механики. И хотя Дельбрюк в то время был полным профаном в биологии, лекция Бора так его вдохновила, что он твердо решил посвятить себя этой науке. Вернувшись в Берлин, Дельбрюк стал искать контактов с биологами. Ему повезло. В это время в Берлине работал русский генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский.

Дельбрюк стал собирать у себя дома друзей-физиков. Он приглашал Тимофеева-Ресовского, и тот часами обучал их своей науке — генетике. Рассказывая, Тимофеев-Ресовский, по своему обыкновению, бегал из угла в угол, словно тигр в клетке. Он говорил о математически строгих законах Менделя, управляющих наследственностью. О генах и о замечательных работах Моргана, доказавших, что гены расположены цепочкой в хромосомах — маленьких червеобразных тельцах, находящихся в клеточных ядрах. Он говорил о плодовой мушке дрозофиле и о мутациях, то есть изменениях генов, которые можно вызвать рентгеновскими лучами. Этим последним вопросом он как раз занимался вместе с физиком-экспериментатором Циммером.

Дельбрюка крайне заинтересовала их работа. Вообще в генетике было столько созвучного квантовой механике, что дух захватывало. Ведь квантовая механика принесла в физику дискретность, скачкообразность. Она также заставила серьезно относиться к случайности. И вот оказывается, что биологи тоже обнаружили дискретную неделимую частицу (ген), которая случайно переходит из одного состояния в другое (этот переход и называют мутацией).

Что же такое ген? Как он устроен? Об этом часто спорили на вечерах у Дельбрюка. Тимофеев-Ресовский говорил, что вообще-то этот вопрос мало интересовал генетиков. Для них ген был тем же, чем для физиков электрон— элементарной частицей наследственности.

«Вот, я вас спрошу, — сказал как-то Тимофеев-Ресовский, когда от него особенно настойчиво требовали ответа На вопрос об устройстве гена, — из чего состоит электрон?» Все рассмеялись. «Вот видите, так же смеются генетики, когда их спрашивают, из чего состоит ген». «Вопрос о том, что такое ген, выходит за рамки генетики и его бессмысленно адресовать генетикам, — продолжал Тимофеев. — Вы, физики, должны искать ответ на