История одного опыта

История одного опыта

Фундамент центральной догмы закладывался еще в первой половине ХХ века, и один из важнейших этапов связан с именами Сальвадора Лурии и Макса Дельбрюка, позже ставших нобелевскими лауреатами.

Макс Людвиг Хеннинг Дельбрюк – 1906–1981 – Американский биофизик немецкого происхождения, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1969 г. (совместно с Алфредом Херши и Сальвадором Лурией) «за открытия, касающиеся механизма репликации и генетической структуры вирусов».

Сальвадор Эдвард Лурия – 1912–1991 – Американский микробиолог, лауреат Нобелевской премии 1969 года (совместно с Алфредом Херши и Максом Дельбрюком).

Макс Дельбрюк – физик, убежавший из гитлеровской Германии в Америку. Биологией он занялся по настоянию нашего соотечественника Тимофеева-Ресовского. Дельбрюк чувствовал, что время великих открытий в физике подходит к концу, а Тимофеев-Ресовский убедил его, что природа наследственности стоит того, чтобы ею заниматься. Вместе они сделали несколько классических работ по определению размера гена. Сальвадор Лурия, в свою очередь, бежал в Америку из фашистской Италии. По специальности он был микробиолог.

Дельбрюка и Лурию заинтересовал исключительно фундаментальный вопрос – как возникают наследуемые изменения – мутации – у бактерий. Рассмотрим, например, мутации, вызывающие у бактерий устойчивость к бактериальным вирусам (их называют бактериофагами). Возьмем бактерию под названием «кишечная палочка» – она живет в каждом из нас в огромном количестве и является излюбленным модельным объектом молекулярных биологов. Если кишечная палочка встретится с вирусом-бактериофагом, она наверняка будет им убита. Но это относится к нормальной кишечной палочке (ее еще называют бактерией дикого типа). Если мы возьмем много-много бактерий и заразим их вирусом, мы увидим, что несколько бактерий непременно выживут и образуют на чашке с питательной средой вполне здоровые и жизнеспособные колонии, как будто вирус им нипочем. Можно показать, что все клетки в этой колонии стали устойчивы к вирусу. Значит, они произошли из клетки-родителя, у которой каким-то образом появилась устойчивость к вирусу. Как могла возникнуть такая устойчивость?

«Многие люди, которые занимались системой приобретенного иммунитета, не сразу поняли, при чем тут генная медицина, и прошляпили открытие своей жизни».

Константин Северинов

Здесь есть два варианта ответа. Первый вариант: встретившись с вирусом, некоторые клетки научились с ним бороться. В свое время Ламарк предположил, что жираф тянулся к высоким веткам, поэтому у него отросла длинная шея. Так и здесь: клетки, оказавшись в очень вредных, очень неприятных условиях среды, начинают бороться, изменяться, пока наконец не найдут способ победить обстоятельства. Чистое торжество воли, как в немецкой философии. Сначала изменилась окружающая среда (в нашем случае в ней появился смертельный вирус), это дало вам какой-то сигнал, и вы решили поменяться, потому что если вы не поменяетесь, то вас больше не будет, вы исчезнете. Вероятность победить невелика – скажем, 0,001 %, – но поскольку клеток изначально было много, по статистике каким-то из них непременно удастся вырвать у вируса победу, и их потомки увидят зарю следующего дня, образуют колонии.

Жан-Батист Ламарк – 1744–1829 – Французский естествоиспытатель, создатель первой целостной эволюционной теории (позднее названной ламаркизмом).

Второй вариант – так называемые спонтанные мутации. Об их существование неявно предполагал еще Чарльз Дарвин, который, впрочем, ничего не знал про гены. Спонтанные мутации возникают случайно, вне всякой связи с тем, в каких условиях находится организм и какие изменения могли бы принести ему пользу. Просто клетка без всякой причины во время деления вдруг переходит в новое состояние. Оно может никак не проявиться, но если эта клетка (или ее потомки) окажутся в условиях, где это новое состояние играет роль для выживания, они воспользуются свалившейся на них с неба возможностью.

Чарльз Роберт Дарвин – 1809–1882 – Английский натуралист, предположивший в своем труде «Происхождение видов», что движущей силой эволюции является естественный отбор небольших ненаправленных наследственных изменений (позднее названных мутациями).

В условиях нашего опыта выбор между первым и вторым вариантом можно сформулировать так: возникает ли у клеток устойчивость к вирусу только в процессе вирусной инфекции или в любой момент времени, независимо от того, есть вирус или нет? Если вы задумаетесь, то поймете, что различить эти два варианта в эксперименте не так уж просто. Ведь для того, чтобы увидеть, возникла ли у клетки устойчивость к вирусу, надо ее этим вирусом заразить. А после того как вирус и клетка встретились, всякий может сказать, что именно эта встреча и стала причиной возникновения устойчивости (как в первом варианте). Даже если верен второй вариант и мутации возникают тогда, когда никаких вирусов вокруг нет, то у нас не будет никакого способа их заметить без добавления вируса.

Опыт Дельбрюка и Лурии позволил сделать выбор между этими двумя возможностями. Этот опыт настолько простой, что каждый может повторить его у себя на кухне. Возьмем десять пробирок, посадим в каждую по одной клетке кишечной палочки[24] и дадим им делиться, пока из каждой клетки не возникнут сотни тысяч потомков. Потом добавим в каждую пробирку вирус, так чтобы на каждую бактерию приходилась хотя бы одна частица вируса.

Если верен первый вариант – мутации возникают как результат борьбы с вирусом с вероятностью победы в 0,001 %, – в каждой пробирке победителями окажется некоторое количество клеток. Эти клетки образуют колонии на чашках с питательной средой, когда мы выльем на них содержимое наших пробирок с выжившими клетками. Количество образованных колоний не будет одинаковым, но в целом число колоний, образованных на разных чашках, окажется более или менее сходным: например, на одной чашке будет пять, на другой – возможно, четырнадцать, на третьей – десять. В целом распределение колоний на разных чашках будет довольно равномерным.

Но если верен вариант номер два, тогда спонтанные мутации могут произойти в любой из пробирок задолго до встречи с вирусом. Например, у самой первой клетки или у одного из двух, четырех, восьми ее потомков, возникших соответственно после первого, второго или третьего деления. В этом случае в какой-то из культур устойчивых клеток окажется гораздо больше. А у числа устойчивых клеток из разных пробирок будет совсем другое, неравномерное распределение. Именно такое крайне неравномерное распределение и наблюдали Лурия и Дельбрюк.

Их вывод: мутации возникают спонтанно. Окружающая среда лишь позволяет им проявиться и принести пользу (или вред). Те, кто и раньше догадывались, что дело именно так и обстоит, в те годы назывались генетиками, а приверженцев противоположной точки зрения в СССР называли лысенковцами: первые оказались правы, вторые – нет.

Дельбрюк и Лурия получили за свое открытие Нобелевскую премию, а генетики в последующие пару десятилетий поняли, как все на самом деле происходит. В ДНК хранится генетическая информация, при ее копировании случаются ошибки, эти ошибки иногда могут быть полезными, а все изменения в ДНК, как вредные, так и полезные, передаются от предков к потомкам. Таким образом, центральная догма молекулярной биологии возникла из эксперимента Дельбрюка и Лурии. Это очень красивый эксперимент, потому что он прост. Все красивые эксперименты просты.