Как идея Николая Кольцова помогла расшифровать структуру ДНК

За расшифровку структуры ДНК Нобелевскую премию получили Уотсон и Крик. Доктор биологических наук Симон Шноль считает, что в основе их идеи — матричный принцип русского биолога Николая Кольцова, на которого Уотсон и Крик не сослались.

Недоумение Александра Колли

В схеме зарождение мысли Кольцова о матричном принципе выглядит так. В 1859 г. Дарвин публикует «Происхождение видов» с идеей эволюции в процессе естественного отбора. Этот отбор происходит в ходе случайных процессов — в этом вся тонкость. Ведь Ламарк до Дарвина думал о закономерной изменчивости…

И был еще другой человек за Дарвином — Вейсман, он разделил жизнь на две сущности: на бессмертную зародышевую плазму и бренную сому. Бессмертная часть — это плазма, в которой из поколения в поколение сохраняются и накапливаются признаки. А бренная сома — наша жизнь: мы живем и умираем, оставляя клетки, в которых сохраняется все, накопленное в предыдущей эволюции.

Идеи Дарвина и Вейсмана захватили весь мир. Но особенно — российское общество. Россия после 1861 г. становится уникальной страной. Таких стран ни тогда не было, ни сейчас нет. 1861 год — это не только Крестьянская реформа, но и взрыв мысли, который мало кто из историков отмечает. Россия была резонатором самых новых идей, дарвиновская теория попала здесь на благодатную почву. Yj все еще в этой теории было непонятно.

В 1893-1894-х гг. проходил 9-й съезд естествоиспытателей и врачей. Там выступал с докладом профессор Александр Колли, химик, мыслитель, всеми забытый. Величие Колли в том, что он высказал недоумение: как можно вместить огромное число наследуемых признаков в клетку, ведь там мало молекул? Колли был замечательный человек, но он умер в 1916 г., так и не узнав ответа.

Колли не знал, сколько в клетке молекул, но в своем недоумении он был прав. Никто его не услышал. НЗа исключением двух студентов. Одним из этих студентов был Николай Константинович Кольцов.

В чем состояла идея Кольцова?

Чтобы ответить на вопрос, как поместить столько признаков в маленькую клетку, потребовалось 34 года. Ужасное мучение мысли. Но о своих шагах на пути к ответу Кольцов уже в 1919 г., видимо, студентам рассказывал. Среди студентов был Николай Тимофеев-Ресовский.

Ответ Кольцова на вопрос Колли — самая главная идея 20 и 21 веков. Кольцов этот ответ сообщил съезду зоологов, анатомов, гистологов в 1927 г. и потряс молодых людей, а взрослые коллеги его тоже не приняли, им казалось, что все это общие мысли. Идея в том, что хотя молекул мало, но это длинные-длинные полимерные нити, где каждое звено — каждый мономер — буква. Поэтому Кольцов ввел понятие текста, которого до него не было. Это первый шаг. Шаг второй: это не просто текст, а текст, который копируется, как типографский текст, как матрица, по которой делается реплика. И хотя Кольцов не знал как — а на то, чтобы узнать как, ушло еще примерно 50 лет, — были поставлены все вопросы. Кольцов не знал, из чего сделаны эти буквы. Он думал, что — из аминокислот, а они оказались нуклеиновыми основаниями. Для концепции это не важно. Это логическая конструкция.

Кольцов не смог добиться понимания, но его ученики с этой идеей поехали за границу. Вообще-то немцы предлагали приехать Кольцову, его лично уговаривал профессор Фохт, специалист по генетике и другим дисциплинам, известный тем, что лечил Ленина. Но Кольцов не поехал, послал к Фохту в Германию своего студента — Тимофеева-Ресовского.

Тимофеев немецким и французским владел свободно, за границей он вел семинары — и повлиял на весь мир. В Берлине семинар, который он устроил, вызвал смущение, чопорные немцы не представляли себе, что можно так обсуждать проблемы: живо, свободно, громогласно и без ограничения времени и тематики.

Концепция мишени

Но самое главное — Тимофеев-Ресовский в Германии по идеям Кольцова стал делать опыты на дрозофилах, облучая их радиоактивным излучением, убивая отдельные буквы и вызывая мутации дрозофил.

Они с коллегами облучали, а потом смотрели, какова вероятность того, что будет нарушение (изменение) в организме. Можно было посчитать, какой минимальный объем необходимо облучить, чтобы произошла мутация. Называется это «концепция мишени». Они высчитывали размер мишени. И так определил размер одной нуклеиновой буквы, то есть гена.

Там к нему в лабораторию пришел молодой Макс Дельбрюк, аспирант по квантовой механике. Он сначала пришел с гордой мыслью, что он им будет делать теорию, а они — эмпирики ползучие и ничего не понимают. На что Тимофеев ему сказал: «Максик, мы и без тебя понимаем, что делаем, — садись и работай». И будущий великий физик сидел и просто обсчитывал результаты. Инструмент — только логарифмическая линейка, а с этой линейкой считать бездну всего. Два года на это ушло.

Этот эксперимент проводили трое ученых: Тимофеев-Ресовский, Дельбрюк и местный физик Циммер. Написали статью в захудалый журнал, который почти никто не знал. Но зато они взяли 200 экземпляров оттисков и разослали по всему миру. Эту работу называли «Зеленая тетрадь» — по обложке. Ее все цитировали. В прошлом году в Nature отметили юбилей выхода этой работы — 80 лет. А юбилей статьи нечасто отмечают.

Работа получилась замечательная. И ссылки на Кольцова в ней есть. Но из-за яркой личности Тимофеева некоторые читатели не заметили, что это концепция Кольцова, и все ссылались на Тимофеева-Ресовского как на источник первого материального представления о природе гена. Отсюда широко стало известно, что гены — это молекулярные буквы (слова).

Что вызвало восхищение Шрёдингера

Великий физик, создатель волновой квантовой механики, Шрёдингер прочел статью Тимофеева и ахнул: благодаря матричному принципу, все в биологии становится ясным. И он стал свои мысли по этому поводу всюду творчески пересказывать. Прочел курс лекций на тему «Что такое жизнь?&кaquo; Один студент записал эти лекции, и они вышли в виде книжки в начале 40-х. Эта книжка оказалась еще одним чрезвычайным событием. Прочитав эту книжку, в биологию бросились физики, потому что, оказывается, и в биологии есть строгая теория. А матричный концепт стал общим местом, на него перестали ссылаться как на концепцию — это подразумевалось. И опять имя Кольцова исчезло.

На своих лекциях Шрёдингер наивно говорил: «Как полагают биологи…» — и ссылался на Тимофеева. А биологи ничего не полагали. Шрёдингер решил, что о матричном принципе все биологи знают. Очень важна реакция на это английского биохимика, физика, физиолога, очень яркого человека, нобелевского лауреата Дж. Холдейна. Он опубликовал — подобное я только раз в жизни видел — статью в Nature, где написал, что не «полагают биологи», а «придумал великий Кольцов». С ним тогда согласились, но все это проходит, выпадает из сознания. Об этой статье сейчас не помнят…

Фаговая группа и орнитолог Джим Уотсон

Дельбрюк после работы с Тимофеевым так и не вернулся в физику. Уехав из фашистской Германии сначала во Францию, а потом в США, он стал исследовать молекулярные механизмы генетики и наследственности. Ему Тимофеев посоветовал перейти на генетику вирусов и фагов, как на самые простые объекты. Это самое простое, там ничего лишнего, только генетика. Совет оказался продуктивным. Дельбрюк создал в Америке так называемую фаговую группу, и к нему потянулись ученики. Естественно, он рассказывал про Кольцова, но больше про Тимофеева-Ресовского, потому что сам непосредственно общался с Тимофеевым.

Примерно в 1951 г. к Дельбрюку пришел молодой орнитолог Джим Уотсон. Он сказал, что интересуется тайнами жизни, а Дельбрюк, на его взгляд, близок к этим тайнам. Дельбрюк ему ответил: это очень мило, но что делать орнитологу в молекулярной биологии? Надо биохимию изучать. И послал его учиться в Европу к великому датчанину биохимику Калькару. Но биохимия требует систематического труда. ПКроме того, вместо зеленого леса и пения птиц это сероводородные комнаты, растворители... Уотсон сбежал оттуда, нарушив указания и договоренности, и оказался в Лондоне, в группе знаменитых отца и сына Брэггов, нобелевских лауреатов, где изучали как раз структуру молекул белков.

Лаборатория, которая дала 7 нобелевских лауреатов

Там была только одна лаборатория, в которой изучали нуклеиновые кислоты. И в этой лаборатории была неприятная женщина, Розалинд Франклин, неприятная тем, что имела серьезный характер и не отдавала свои результаты всякому, кто хочет в них влезть, в том числе своему заведующему Уилкинсу. Рентгенограмма — это пленка, на ней черные точки. По порядку точек на плоскости нужно расшифровать трехмерную структуру. Непосвященному невозможно представить, как это можно по точкам на плоскости построить трехмерную структуру. Розалинд Франклин только одна на свете умела делать кристаллы ДНК и их рентгенограммы. Но она хотела исследовать их сама и никому не давать. А Уилкинс стащил у нее рентгенограммы и отдал в соседнюю комнату Фрэнсису Крику — замечательному физику, который легче, чем Розалинд, мог эти черные точечки расшифровывать. Тот понял, что на рентгенограммах какая-то очень странная молекула в виде спирали. Но почему она там, никаких соображений у него не было.

И вот к нему попал Уотсон и привез идеи от Дельбрюка о том, что есть матрица и есть ее реплика. Идея двойной спирали. А Крику было непонятно, откуда вторая. Построив окончательную модель, ахнув от потрясения, что теперь все понятно, Крик и Уотсон заперли комнату, никого не пускали, пока не сделали статью для Nature.

В марте 1953 г. вышла знаменитая статья, где была представлена структура двойной спирали ДНК. Следующий из нее матричный принцип — необходимый и достаточный для полного описания принципов молекулярной биологии. Размножение — когда матрицы копируются. Изменчивость — когда отдельная буква заменяется. Наследственность — когда буква сохраняется в репликах. Три главных компонента биологии даны вследствие матричного воспроизведения.

Кольцов и Вавилов

Когда Кольцов с идеей матричного принципа на съезде выступил, его услышали немногие. Он продолжал работать над своей концепцией. За рубежом это все пошло дальше, а у нас тривиальная история — начались гонения, выдвинулся Лысенко. Лысенко стал президентом Академии сельскохозяйственных наук имени Ленина — ВАСХНИЛ, которую придумал Вавилов, а самого Вавилова 6 августа 1940 г. арестовали. Величайший человек вселенной Николай Иванович Вавилов и Николай Кольцов относились друг к другу с чрезвычайным уважением. Кольцов довольно чопорный человек, оба они были интеллигентными и сдержанными. Но когда начались ужасные события и Кольцова потащили на допросы, чтобы он дал показания против Вавилова, то Кольцов сопротивлялся и на провокационные вопросы не отвечал. Но сердце у него не выдержало. Когда в декабре 1940 г. он приехал делать доклад о своей концепции в Ленинград — сердце его остановилось.

После смерти Кольцова его имя исчезло. Великая генетика в России была до 1948 г., после этого долгое время даже настоящего образования не было по глубоким проблемам. Были книги, журналы, но это не сравнить с тем образованием, которое может дать уважаемый человек, который знает общую идею. Интерес к Вапвилову и Кольцову вспыхнул только после 1953 г., когда во всех возможных местах заговорили о двойной спирали, о величии Уотсона и Крика.