У истоков молекулярной биологии

Родиной молекулярной биологии является Россия. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно обратиться к истории этого направления науки.

На IX Всероссийском съезде естествоиспытателей и врачей 10 января 1894 г. профессор химии Московского университета А.А. Колли выступил с докладом, в котором впервые задал вопрос: как клетки хранят столько наследственных признаков? Ответа, разумеется, он не дал, но сформулировал первую задачу молекулярной биологии.

На съезд был приглашен и тогда уже всемирно известный писатель Л.Н. Толстой, который к науке питал глубокое недоверие. В своей статье «Наука и культура» он утверждал: «...просвещение и культура жизненно важны для русского человека, а наука – пустое времяпровождение, пустая трата времени и народных денег, в науке ученые удовлетворяют свою любознательность за казенный кошт». Объектом своих нападок он выбрал почему-то клетки. Он любил говаривать: «Ученые открыли клетки, а в них какие-то «штучки», а для чего, и сами не знают. Ничего путного эти ученые не сделали, разве открыли картофель, да и то не они, путешественники привезли».

На свою беду Л.Н. Толстой попал в зал Политехнического музея в тот момент, когда профессор МГУ М.А. Мензбир рассказывал об устройстве клетки и о том, что представляют собой хромосомы (которые Л.Н. Толстой и обозвал «штучками»). Окончательно разозлил Толстого поднявшийся на трибуну профессор Колли, который заговорил о молекулах и «какой-то наследственности». (К чести русских ученых надо сказать, что они признали атомно-молекулярное учение раньше большинства западных коллег.) Л.Н. Толстой был разочарован.

Перед самым Новым годом у него гостил И.И. Мечников. Приехав в Ясную Поляну, он целый день рассказывал хозяину о достижениях науки и уехал с твердым убеждением, что Лев Николаевич все понял и согласен с ним, а вышло наоборот. Л.Н. Толстой записал в дневнике: «Был тут Илья Ильич… столько всего наговорил. Семь верст до небес, и все лесом… и молекулы, и атомы. Рассказывал, и в крови нашли какие-то лейкоциты. Тьфу, какая гадость». И это писал один из наиболее образованных и культурных людей России того времени! А что говорить о других?

Среди слушателей в аудитории Политехнического музея оказался студент 4-го курса МГУ Н.К. Кольцов, которого чрезвычайно взволновали вопросы, заданные Колли, и он решил найти на них ответы. По окончании университета Кольцов был оставлен при факультете для подготовки к профессорскому званию. Его направили на биостанцию в г. Неаполь. Но жизнь ученого складывалась непросто. Он был участником революционных событий 1905 г. В этом же году его уволили из МГУ.

Н.К. Кольцов проводит опыты

Два года Кольцов преподавал биологию на Высших женских курсах. В 1908 г. в Москве открылся Народный университет, созданный по инициативе и на деньги генерала А.Л. Шанявского (1837–1905) и просуществовавший до 1918 г. Кольцову предложили кафедру экспериментальной биологии. Сам университет не имел аналогов в России, а кафедра Кольцова стала кузницей кадров для российской биологической науки. За 10 лет из ее стен вышли десятки высококлассных биологов.

Многие ученики Кольцова считают, что в определенном смысле вся наша биология родилась здесь. Кольцов всем студентам и сотрудникам рассказывал о знаменитой задаче Колли, предлагал им высказывать свои мысли и соображения, т.е. сразу вовлекал их в исследовательскую деятельность.

В 1916 г. умер профессор А.А. Колли. К этому времени авторитет Кольцова в науке вырос настолько, что немецкие коллеги попросили его помощи в организации биологических исследований в Германии (не надо забывать, что две страны в этот момент ожесточенно воевали друг с другом). Это еще раз доказывает, что Россия никогда не плелась в хвосте научно-технического прогресса, а зачастую и опережала западно-европейские страны.

Происходит Октябрьская революция 1917 г. Сразу стало не до науки. Часть научных кадров разогнали, часть уехала сама. В 1919 г. Кольцов берется за восстановление биологической науки в России. Связи с зарубежными научными центрами разрушены, нет информации от коллег биологов. Окольными путями с большими трудностями приходят письма из-за границы. Не раз Кольцова вызывают в ЧК, т.к. биологические новости принимали за шпионские донесения. Большую радость у Кольцова вызывает пакет с работами Т.Моргана (одного из основоположников современной генетики, проведшего знаменитые опыты с мухами-дрозофилами). Н.К. Кольцов в Москве и его коллега Ю.А. Филипченко в Петрограде пытаются донести до полуголодных студентов в холодных аудиториях хромосомную теорию наследственности Моргана. Н.К. Кольцов и С.С. Четвериков в 1922 г. начинают читать в Москве первый в России курс генетики. С визитом в Россию прибывает известный генетик Г.Меллер, который привозит мушек-дрозофил. Наступает горячая пора. Изучая мутации дрозофил и постоянно размышляя над задачей Колли, Кольцов шаг за шагом приближается к ее разгадке. Выходило так, что описание размножения и изменчивости на молекулярном уровне – основная задача молекулярной биологии.

Не сразу Кольцов вынес свое открытие на суд научной общественности. Вначале он рассказал о нем своим студентам (1922 г.) и только через пять (!) лет сделал доклад об этом на III Всесоюзном съезде гистологов, анатомов и морфологов. Идея доклада Кольцова такова: наследственность передается молекулами, которых не так много, но эти молекулы – длинные полимерные нити, отдельные участки которых (мономеры) и определяют конкретные наследственные признаки.

Не надо думать, что открытие Кольцова было принято с радостью. Сразу появились и противники его идеи. А были и такие, которые говорили: «Какую пользу принесет это открытие пролетарскому государству? Вот, если бы был выведен сорт сверхурожайной пшеницы или создано суперлекарство, тогда – да. А так, подумаешь – теория наследственности, эка невидаль!»

Естественно, уточнение деталей открытия продолжалась и дальше. Кольцов ошибался, отводя главную роль аминокислотам, но главное было сделано: наследственные «тексты» копируются, как при печатании книг. И, самое главное, матричный способ воспроизведения дает ничтожное количество ошибок при тиражировании живых организмов.

Итак, было сделано гениальное открытие в молекулярной биологии XX в.: наследственная информация передается на молекулярном уровне и воспроизводится матричным способом. Но нет пророка в своем отечестве. Коллеги Кольцова были глухи к его гениальному открытию, но зато как это восприняла молодежь! С юношеским пылом и энтузиазмом идея наследственности обсуждалась в студенческих кругах.

Н.В. Тимофеев-Ресовский

Немецкие биологи несколько раз просили Н.К. Кольцова прочитать им курс лекций по новой биологии: «Только, Вы, глубокоуважаемый господин профессор, можете преподать нам ваши идеи», – писали немецкие ученые. Кольцов с большим трудом уговорил прочитать этот курс молодого биолога Тимофеева-Ресовского, который еще не получил диплома об окончании МГУ. Выбор оказался необычайно удачным. Н.В. Тимофеев-Ресовский был увлечен идеей Кольцова, пожалуй, больше, чем сам учитель. С энергией молодости, отлично владея немецким языком, он так обставил свои занятия, что его квартира стала «Меккой» тогдашней биологии. Молодой преподаватель так увлекался чтением лекций, что не замечал своего быстрого хождения по ковровой дорожке и вскоре протоптал на ней «тропинку». На семинарах сидели маститые профессора и зеленая молодежь, но это никого не смущало и не шокировало, так велико было желание получить вести с переднего края биологической науки. Сам Тимофеев-Ресовский в то время искренне полагал, что в России самая передовая наука в мире.

В 1929 г. на семинар записался физик Макс Дельбрюк. Услышав на лекциях о матричном копировании, он был очарован красотой и простотой идеи, сразу примкнув к Тимофееву-Ресовскому и физику К.Циммеру. Они решили выяснить, как радиоактивные излучения влияют на мутации живых организмов. Разумеется, взяли мушек-дрозофил. Узконаправленным пучком гамма-лучей они облучали дрозофил, измеряли дозу, частоту мутаций и пытались определить минимальный размер мишени, на которую действует излучение.

Это была трудная, небезопасная и кропотливая работа. По сути дела, они определяли размеры генов. Итогом стала знаменитая работа Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка «Мутации и структура гена», которая мгновенно стала библиографической редкостью. Авторы установили, что размер мишени, где происходила мутация, если в нее попадал хотя бы один гамма-квант, равен примерно 0,3 нм, а это прекрасно совпадало с размерами аминокислот и нуклеотидов. Оттиски журнала в зеленой обложке получили у коллег-биологов название «Зеленая тетрадь Тимофеева-Ресовского». Разумеется, первые экземпляры были отправлены Н.К. Кольцову.

После такого успеха чета Тимофеевых-Ресовских пожелала ехать на родину, но Н.К. Кольцов отсоветовал им приезжать в СССР, где творилось невообразимое. В «шарашках» и тюрьмах находились Туполев и Королев, репрессии коснулись Ландау и Глушко, против Н.И. Вавилова была развернута целая кампания. Отвергались целые разделы физики, биологии, математики как буржуазные космополитические и вредные учения. Тимофеев-Ресовский остался в Германии, но это ему припомнили в 1945 г., приклеив ярлык фашистского прислужника.

В 1943 г. один из создателей квантовой механики Э.Шредингер написал книгу «Что такое жизнь?» Книга, несмотря на войну, стала сенсационной. В СССР ее перевели уже в 1946 г. – случай тоже уникальный. Ее читали очень внимательно. Так, известный физик, химик и биолог Дж.Б. Холдейн возразил Э.Шредингеру: «Автор пишет «биологи думают», не указывая авторства. На самом деле автором идеи является профессор Кольцов». Здесь можно видеть редчайший случай восстановления приоритета уже умершего ученого.

В 1937 г. М.Дельбрюк получил стипендию Фонда Рокфеллера и уехал в Калифорнийский технологический институт (США), где работал Т.Морган. В 1939 г. срок стипендии истек, но из-за начавшейся Второй мировой войны Дельбрюк решил остаться в США. В 1948 г. к нему в аспирантуру попал начинающий орнитолог Джеймс Уотсон, желавший узнать тайны жизни и полагавший, что Дельбрюк ближе всех подобрался к их разгадке. Дельбрюк заявил Уотсону, что этим занимается биохимия, и отослал его в Европу. Но Уотсон не пожелал заниматься премудростями биохимии и дезертировал в лабораторию рентгеноструктурного анализа знаменитых физиков отца и сына Брэггов.

В одной из групп лаборатории работала Р.Франклин, которая также изучала структуру ДНК. Она получила рентгенограммы высочайшего качества, но полностью расшифровать структуру молекулы ей пока не удавалось. В лаборатории также работал физик Ф.Крик, который старался связать рентгенограммы со спиральной структурой молекулы, но и у него не было хороших рентгенограмм, поэтому ничего не получалось. Уотсону удалось увидеть рентгенограммы Р.Франклин (без ее ведома). Когда он описал их Крику и рассказал о матричной репродукции, которую усвоил, работая у Дельбрюка, то все встало на свои места. Крик и Уотсон понимали, что они на пороге важнейшего открытия и больше всего боялись, что их опередит Лайнус Полинг, который решал ту же задачу в США. К их счастью у Полинга не было хороших рентгенограмм, и он в спешке опубликовал в начале 1953 г. статью с ошибочной (трехнитчатой) структурой ДНК. В 1953 г. Крик и Уотсон построили двойную спираль ДНК и их статья была опубликована в номере журнале Nature от 10 апреля. В том же номере журнала опубликованы две статьи Р.Франклин с соавторами, содержащие рентгенограммы, без которых невозможно было бы расшифровать структуру ДНК.