Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

расходятся, например, при нагревании. Но при охлаждении они вновь сходятся и скрепляются, восстанавливая прежнюю структуру, это принципиально отличает ДНК от белков, которые при нагревании необратимо денатурируют. Стоит одному зубчику в застежке погнуться или выпасть – и вот уже молния не застегивается. Точно так же и молекулы ДНК “чувствуют” замену даже одного нуклеотида в длинной цепи и “отказываются” скрепляться. Застежка-молния остается таковой независимо от длины, все описанные свойства ДНК также не зависят от ее длины. Если мы бросим в водный раствор две цепочки, состоящие, например, всего лишь из десяти нуклеотидов, удовлетворяющих требованию комплементарности, то они рано или поздно встретятся и прочно соединятся между собой в молекулу ДНК, пусть и маленькую, состоящую всего из десяти пар нуклеотидов . И пусть при этом вокруг плавают хоть миллион других похожих цепочек, если в последовательности соединения их нуклеотидов есть хоть одно отклонение от требований комплементарности, но наши цепочки не обращают на них никакого внимания, они ищут своего единственного, зеркального близнеца. Поразительная избирательность!

Вернемся ненадолго к кодирующей цепочке. Ее, как мы помним, можно уподобить некоему тексту, записанному “буквами” входящих в ее состав нуклеотидов. В этом тексте можно вычленить предложения – точное описание того или иного белка живого организма. Последовательность из трех определенных нуклеотидов образует “слово”, обозначающее конкретную аминокислоту. В этом суть генетического кода. Часть молекулы ДНК, на которой записана инструкция по синтезу одного белка, называется ге́ном . Еще раз подчеркну, что часть молекулы ДНК сама по себе также является молекулой ДНК, это подобие части целому – один из основополагающих принципов организации как живой, так и неживой материи.

Сейчас нам легко говорить об этом, но в 50-х годах прошлого века, когда Уотсон и Крик впервые явили ученым и миру свою модель ДНК, ничего этого не было известно даже на уровне предположений. Ученые вообще впервые столкнулись с таким нанообъектом . Как к нему подступиться? Как его изучать? Как определить строение хотя бы одной молекулы ДНК, то есть выяснить в ней точную последовательность нуклеотидов, если число возможных комбинаций при длине молекулы в сотни миллионов пар превосходит число атомов во Вселенной?

Что делают ученые, попав в такую пиковую ситуацию? В первую очередь они начинают думать, даже, вернее, фантазировать, потому что в их распоряжении есть один-единственный факт, да и тот гипотетический, – модель молекулы ДНК. Давайте немного поиграем в ученых.

Из своего жизненного опыта мы знаем, что сколько ни смотри на неизвестную машину, в ее внутреннем устройстве не разберешься, пока не прочитаешь подробное описание или не разберешь машину на части. Химики так и поступают, у них есть в арсенале разные реагенты, которые разрезают сложные молекулы в строго определенных местах, например, они могут разорвать связь фосфатного остатка с дезоксирибозой, то есть разрезать цепочку ДНК, не затронув при этом связь дезоксирибозы с азотистым основанием. Но для нашей задачи эти реагенты слишком грубые, они будут перерезать молекулу ДНК случайным образом, это все равно, что колотить по машине тяжелой кувалдой, а потом пытаться разобраться в куче разнокалиберных осколков – бесполезное занятие! Нам нужно какое-то более сложное, чем кувалда, устройство, которое будет разрезать молекулу ДНК в строго определенных местах, назовем их условно швами. Это должно быть какое-то специальное устройство, способное обращаться с объектами молекулярных размеров. Понятно, что размер устройства не может быть намного больше молекулы ДНК. Опять же жизненный опыт: даже молоток и гвоздь должны иметь сопоставимые размеры, иначе ничего хорошего не выйдет. Чтобы разрезать в нужном месте молекулу ДНК диаметром 2,4 нм, устройство должно иметь размер в десятки, максимум сотни нанометров.

Итак, нам нужно устройство, способное обрабатывать молекулы и само имеющее молекулярные размеры, – молекулярная машина . Из чего она должна состоять? Из тестера для обнаружения “шва” и из собственно резака, затем необходима какая-то оснастка для самостоятельного передвижения машины, ведь вероятность того, что она обнаружит “шов” в ходе случайных блужданий, невелика. И наконец, нужен процессор, ведь напрямую управлять работой такой машины нам вряд ли удастся и она поневоле должна будет работать в автономном режиме. Все это складывается в образ некоего робота или с учетом его размера – наноробота .

Мы с вами путем незамысловатых рассуждений пришли к идее, приобретшей чрезвычайную популярность в наше время. С ней мы еще столкнемся в заключительной главе книги. Здесь же скажу, что люди, наделенные инженерным или механистическим складом мышления, снабжают в своих фантазиях такие роботы наношестеренками, наноредукторами и наноколесами, манипуляторами с зажатыми в них нанофонариками и наноскальпелями, антенной, передатчиком и бортовым компьютером.

Но ученые 50–60-х годов прошлого века пошли другим путем. С ДНК ведь работали преимущественно химики и биологи и они в силу своего склада мышления заключили, что нужная им молекулярная машина должна быть похожа на белок. И еще они предположили, что Природа непременно должна была создать что-то подобное в ходе эволюции, а иначе как она сама управляется с ДНК? Это задало направление поисков. Работа всегда спорится лучше, когда знаешь, что ты ищешь.

Поиски заняли длительное время, это была действительно трудная задача. Лишь в конце 1960-х годов американский микробиолог Гамильтон Смит и швейцарский микробиолог и генетик Вернер Арбер открыли фермент рестриктазу, которая играет в живых организмах роль ножниц для ДНК [23] . Важность открытия оценили быстро, уже в 1978 году ученым была присуждена Нобелевская премия по медицине и физиологии.

Собственно, это был не один фермент, а обширный класс ферментов, который в настоящее время насчитывает более трех тысяч различных рестриктаз. Столь большое, даже с учетом богатства мира живой природы, число рестриктаз объясняется их четкой специализацией – каждая вступает в дело только при наличии в молекуле ДНК определенных последовательностей нуклеотидов, называемых сайтами рестрикции.

Опишу лишь один, наиболее интересный для наших целей пример механизма действия рестриктаз. Итак, фермент находит в длинной молекуле ДНК определенную последовательность, состоящую из шести нуклеотидов, и разрезает молекулу ДНК внутри этого участка хитрым фигурным образом – одну цепочку в одном месте, другую в другом. В результате при разъединении двух кусков на их концах остаются короткие одноцепочечные хвостики, состоящие обычно из четырех нуклеотидов. Их называют “липкими” концами. Почему липкими? Представим себе, что мы подвели друг к другу разрезанные описанным образом фрагменты ДНК, они в этом случае непременно соединятся, слипнутся, ведь их хвостики комплементарны.

За счет этого фрагменты молекулы ДНК будут удерживаться вместе (как все та же застежка-молния с разрезанной основой), но это не будет прежняя молекула ДНК. Для полного восстановления структуры необходимо спаять разрезанные цепи. Для этого у Природы есть специальные молекулярные машины – ферменты лигазы. Их открыли в 1967 году.

Наука развивается очень затейливыми путями. Казалось бы, процесс разрезания и сшивки молекул ДНК намного проще ее копирования. Более того, это не просто кажется, так оно и есть. В своей статье, опубликованной в 1953 году, Уотсон и Крик сформулировали идею репликации ДНК в самом общем виде, не располагая ни одним экспериментальным фактом для ее доказательства. Тем не менее первой открыли молекулярную машину именно для сборки ДНК. Случилось это уже в 1956 году, когда американский биохимик Артур Корнберг (1918–2007) выделил фермент, названный впоследствии ДНК-полимеразой. За это он немедленно, в 1959 году, получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине, к слову сказать, раньше Уотсона с Криком.

Но это был лишь первый шаг на долгом пути, на расшифровку основных деталей механизма репликации ДНК ушло два десятилетия. Отмечу лишь некоторые моменты, которые нам понадобятся в дальнейшем. Специальная молекулярная машина, фермент хеликаза, движется вдоль молекулы ДНК, разрывая водородные связи между комплементарными нуклеотидами и разрезая двойную спираль на отдельные цепочки с образованием так называемой репликационной вилки. Основную созидательную функцию выполняет фермент ДНК-полимераза, который, двигаясь по цепочке, собирает из нуклеотидных блоков комплементарную ей цепь. Таким образом из одной молекулы ДНК получают две идентичные молекулы, каждая из которых содержит цепь исходной молекулы и вновь синтезированную цепь. Поражает точность копирования: частота ошибок при репликации ДНК не превышает 1 на 109–1010 нуклеотидов. Это обусловлено, в частности, тем, что молекулярная машина под названием ДНК-полимераза включает в свой состав специальный “отдел технического контроля”, который способен распознать ошибку и тут же исправить ее.

В работе ДНК-полимеразы есть один важный нюанс – она не может начать сборку, как говорится, на ровном месте. Для этого ей необходима затравка, называемая праймером, олигонуклеотид, состоящий приблизительно из 20 нуклеотидов и комплементарный определенному участку копируемой цепи ДНК. Праймер прочно