Эксперимент Херши - Чейз (1952)

Что передает наследственность

К середине XX века биологи знали многое о законах наследственности, но не знали, из чего сделаны гены. Еще в 1865 году монах Грегор Мендель открыл законы наследования признаков у гороха. В начале XX века американский генетик Томас Хант Морган, изучая плодовых мушек-дрозофил, доказал, что гены расположены в хромосомах - нитевидных структурах клеточного ядра. Оставалось понять, какое вещество хромосом хранит наследственную информацию.

Хромосомы состоят в основном из двух веществ - белков и дезоксирибонуклеиновой кислоты, ДНК. ДНК открыл в 1869 году швейцарский врач Фридрих Мишер, выделивший из ядер клеток гноя вещество, названное им нуклеином. Но в первой половине XX века ДНК казалась слишком простой. Американский биохимик Фебус Левин выдвинул теорию, согласно которой ДНК - однообразная молекула из четырех чередующихся в одном и том же порядке звеньев-нуклеотидов. Такая монотонная молекула не могла, казалось, хранить сложную информацию. Белки же, построенные из двадцати разных аминокислот, могли образовывать бесконечное число комбинаций и выглядели куда более подходящими кандидатами на роль вещества наследственности.

Пневмококки Гриффита и Эйвери

Первая трещина в этой картине появилась в 1928 году. Британский врач Фредерик Гриффит изучал пневмококки - бактерии, вызывающие воспаление легких. Он обнаружил, что если ввести мышам безвредный штамм вместе с убитыми нагреванием клетками смертоносного штамма, мыши погибают, а в их крови появляются живые смертоносные бактерии. Что-то из убитых клеток «превращало» безвредные бактерии в опасные. Гриффит назвал это «трансформирующим началом».

В 1944 году в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке Освальд Эйвери с коллегами Колином Маклаудом и Маклином Маккарти очистили трансформирующее начало и показали, что это ДНК. Ферменты, разрушающие белки, не мешали трансформации, а фермент, разрушающий ДНК, ее останавливал. Однако многие ученые не были убеждены. Скептики, прежде всего биохимик Альфред Мирски, указывали, что в препаратах ДНК могли оставаться следы белка, который и мог быть настоящим носителем наследственности. К тому же было неясно, применимы ли выводы о бактериях к другим организмам.

Фаговая группа

Важную роль в решении вопроса сыграли бактериофаги - вирусы, поражающие бактерии. В 1940-х годах вокруг немецкого физика Макса Дельбрюка, эмигрировавшего в США, и итальянского врача Сальвадора Лурии, бежавшего от фашистского режима, сложилась неформальная «фаговая группа». Ее участники считали бактериофаги идеальной моделью для изучения наследственности: вирус проникает в бактерию и за полчаса превращает ее в фабрику, производящую сотни новых вирусов. Многие участники группы, как и Дельбрюк, пришли в биологию из физики, вдохновленные книгой Эрвина Шредингера «Что такое жизнь?» (1944), где высказывалась мысль, что наследственная информация записана в «апериодическом кристалле». С 1945 года в Колд-Спринг-Харборе на Лонг-Айленде ежегодно проходил летний курс по бактериофагам, ставший школой для целого поколения молекулярных биологов.

Бактериофаг T2, поражающий кишечную палочку, под электронным микроскопом выглядел как крошечный головастик или посадочный модуль: шестигранная головка на отростке с ножками. Он состоял почти только из двух веществ - белковой оболочки и ДНК внутри головки. На снимках было видно, что фаги прикрепляются к поверхности бактерии снаружи. Биохимик Роджер Хэрриотт в 1951 году высказал предположение, что вирус может действовать как крошечный шприц, впрыскивающий в клетку свою ДНК, а пустая оболочка остается снаружи.

Альфред Херши

Альфред Дэй Херши родился в 1908 году в городке Овоссо в Мичигане в небогатой семье. Он изучал химию и бактериологию в Мичиганском государственном колледже, затем работал в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, где занялся бактериофагами и вошел в фаговую группу. В 1950 году он перешел в отдел генетики Института Карнеги в Колд-Спринг-Харборе.

Херши был молчаливым, сдержанным человеком, известным краткостью и точностью. Коллеги вспоминали его фразу о том, что истинное счастье для ученого - поставить опыт, который работает, а затем повторять его снова и снова. Это выражение в фаговой группе называли «раем Херши».

Его помощницей стала Марта Чейз, 23-летняя выпускница колледжа Вустер в Огайо, поступившая в лабораторию лаборанткой в 1950 году.

Сера и фосфор

Замысел опыта был изящно прост. Белки и ДНК различаются по химическому составу: в белках есть сера, входящая в состав некоторых аминокислот, но почти нет фосфора; в ДНК, напротив, много фосфора и совсем нет серы. Значит, если вырастить вирусы на питательной среде с радиоактивными изотопами, можно пометить их составные части по отдельности: радиоактивная сера-35 окажется только в белковой оболочке, а радиоактивный фосфор-32 - только в ДНК.

Херши и Чейз вырастили две партии бактериофагов T2: одну - с меченой серой, другую - с меченым фосфором. Затем они заразили этими вирусами обычные бактерии и дали фагам прикрепиться к клеткам. Теперь нужно было отделить от бактерий то, что осталось снаружи. Ученые перепробовали разные способы, но самым удачным оказался обычный кухонный миксер «Уоринг», которым они несколько минут взбивали взвесь бактерий. Сильное перемешивание срывало с поверхности бактерий прикрепившиеся к ним оболочки вирусов, но не разрушало сами клетки.

Затем смесь центрифугировали: тяжелые бактерии оседали на дно пробирки, а легкие оболочки вирусов оставались в жидкости. Измерив радиоактивность, исследователи увидели, что около 80 процентов меченой серы, то есть белка, срывалось миксером и оставалось в жидкости, тогда как большая часть меченого фосфора, то есть ДНК, оставалась в бактериях. При этом зараженные бактерии, с которых сорвали белковые оболочки, все равно производили новые вирусы. В новом поколении фагов обнаруживалась часть меченого фосфора родителей, но почти не было меченой серы.

Осторожный вывод

Результаты означали, что белковая оболочка служит лишь средством доставки, а внутрь клетки проникает ДНК, которая и управляет созданием новых вирусов. Статья Херши и Чейз «Независимые функции вирусного белка и нуклеиновой кислоты в росте бактериофага» была опубликована 20 сентября 1952 года.

Херши сформулировал выводы очень осторожно. Он писал, что белок, по-видимому, не участвует в размножении фага внутри клетки, а ДНК имеет какую-то функцию в этом процессе, но не утверждал прямо, что ДНК и есть генетический материал. В опыте оставались неточности: часть белка не удавалось удалить, а часть ДНК терялась. Однако простота и наглядность опыта, в отличие от сложных биохимических аргументов Эйвери, оказались убедительнее для многих биологов.

Путь к двойной спирали

Летом 1952 года Херши рассказал о результатах на конференции специалистов по бактериофагам во Франции. Среди слушателей был 24-летний американский биолог Джеймс Уотсон, работавший в Кембридже вместе с британским физиком Фрэнсисом Криком над структурой ДНК. Для Уотсона опыт стал решающим подтверждением того, что они изучают именно молекулу наследственности, и он с удвоенной энергией взялся за поиски ее структуры. В апреле 1953 года Уотсон и Крик, опираясь на рентгеновские снимки Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, опубликовали модель двойной спирали ДНК, сразу объяснившую, как наследственная информация копируется при делении клеток.

Тем временем в СССР

Пока на Западе рождалась молекулярная биология, в Советском Союзе генетика была разгромлена. На августовской сессии Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени Ленина в 1948 году Трофим Лысенко при поддержке Сталина объявил классическую генетику «менделизмом-морганизмом» - буржуазной лженаукой. Генетиков увольняли, лаборатории закрывали, а сама идея особого вещества наследственности объявлялась идеалистической. Выдающийся генетик Николай Вавилов, арестованный еще в 1940 году, умер в саратовской тюрьме в 1943 году. Советская генетика начала возрождаться лишь после отстранения Лысенко в середине 1960-х годов, отстав от мировой науки на годы.

Судьбы

Херши в 1962 году возглавил отдел генетики Института Карнеги в Колд-Спринг-Харборе. В 1969 году он вместе с Максом Дельбрюком и Сальвадором Лурией получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытия, касающиеся механизма размножения и генетической структуры вирусов. Он умер в 1997 году.

Марта Чейз не разделила славу своего руководителя. Она продолжала научную работу, в 1964 году защитила диссертацию в Университете Южной Калифорнии, но ее карьера сложилась неудачно, а в последние годы жизни она страдала тяжелой потерей памяти. Она умерла в 2003 году в Огайо. Сегодня ее имя неразрывно связано с одним из самых известных опытов в истории биологии и приводится в учебниках рядом с именем Херши.

Освальд Эйвери, чей опыт 1944 года многие историки считают первым настоящим доказательством роли ДНК, так и не получил Нобелевской премии и умер в 1955 году.

Итоги

• Эксперимент Херши - Чейз убедительно показал, что при заражении бактерии вирусом внутрь клетки проникает ДНК, а белковая оболочка в размножении вируса не участвует.
• Опыт окончательно склонил научное сообщество к признанию ДНК, а не белка, носителем наследственной информации.
• Результаты Херши и Чейз вдохновили Уотсона и Крика, открывших в 1953 году структуру двойной спирали ДНК, и стали одним из краеугольных камней молекулярной биологии.
• Метод радиоактивных меток и простота постановки сделали опыт классическим примером изящного научного эксперимента, который приводится в учебниках биологии по всему миру.