Загадочная индукция

Как гены влияют на клетку, в которой они лежат, мы не знаем.
Точно так же мы не знаем, действуют ли они все время
или лишь при некоторых специфических условиях.
Т. Морган, 1922

В самом конце прошлого века француз Е. Дюкло описал явление «ферментной индукции». Когда к среде, в которой росли клетки, добавляли какое-либо соединение, например сахар, клетки начинали синтезировать фермент, они расщепляли это вещество и помогали усваивать его. Явление индукции было до обидного просто. За 60 лет ученые столько раз воспроизводили обнаруженный феномен, что всякие сомнения в реальности его отпали, а большинство ученых даже перестало ему удивляться: подумаешь, давно известный факт!

Соотечественник и современник Дюкло — Фредерик Динерт изучал процессы питания дрожжей. К суспензии клеток дрожжей он добавлял разные соединения и измерял скорость их усвоения.

Лактоза — молочный сахар. «Съесть» ее целиком клетки не могут. Сначала ее нужно привести в съедобный вид — расщепить на две половинки. И в клетке есть особый фермент, который раскалывает молекулу лактозы пополам. Динерт как раз и следил за усвоением лактозы, иначе говоря — за образованием фермента. Он вводил в питательную среду лактозу, клетки начинали синтезировать расщепляющий фермент, а тот, как хороший дровосек, разрубал одну за другой молекулы сахара. Ученый воспитал на среде с лактозой пять поколений дрожжей. Во всех клетках фермент имелся.

После этого он пересадил эти дрожжи на другую диету и стал подавать к «столу» уже другие сахара. Дрожжи их «поедали», а когда прошло несколько циклов деления, Динерт решил проверить, сохранили ли эти клетки способность синтезировать фермент, рвущий лактозу. Логика его была проста: сахар убрали, фермент теперь клеткам не нужен, вот и надо посмотреть, насколько распорядительна клетка и станет ли она сохранять бездельника-фермента. Клетка оказалась умной: убрали сахар — исчез и фермент. Все просто и понятно. Никаких раздумий такой результат у Динерта не вызвал. Он решил лишь удостовериться, сохранила ли клетка способность к синтезу фермента. И суспензия дрожжей была снова перенесена в среду с лактозой. Свойство усваивать сахар сохранилось! Стоило добавить лактозу, как синтез фермента возобновлялся.

Таких опытов было проведено великое множество. Все они говорили об одном: добавление каких-либо нужных клетке или, наоборот, вредных соединений в среду не остается незамеченным. Клетка чутко реагирует на изменение внешней среды и либо включает, либо выключает соответствующие реакции.

А теперь я расскажу еще об одном примере, но не из жизни дрожжей бактерий, а об опытах с бактериофагами. Речь пойдет о новых экспериментах. Советские исследователи Р. Б. Хесин и его ученик М. Ф. Шемякин изучали активность бактериофага в разные моменты его внутриклеточного развития. Им удалось выяснить, что гены фаговой хромосомы включаются в работу не одновременно, а по очереди: сначала образуются так называемые ранние ферменты, потом все другие. Клетка следить за порядком включения генов в хромосоме фагов вроде бы не могла: фаг был ей чужой. Оставалось предположить, что фаг сам знает, когда и какие гены вводить в строй.

Посмотрим на оба примера со стороны, которая интересует нас больше всего.

В первом примере клетки дрожжей чутко реагировали на добавление лактозы, и стоило ей появиться, как тотчас же появлялся и нужный фермент. Убирали лактозу — исчезал фермент. Во втором примере фаг точно знал, когда и какие ферменты начинать синтезировать. То, что могло потребоваться раньше, создавалось раньше, и фаг, осуществляя такой скользящий график выпуска нужной продукции, выигрывал немалое время. Вот в этом-то и заключалась главная неприятность с точки зрения генетики. Дюкло и Динерту не было почти ничего известно о механизме синтеза ферментов, и потому их так радовала та простота и изящество, с какими клетки управлялись в повседневной жизни.

Но нам-то путь к ферменту известен. Структура каждого фермента непременно закодирована в определенном гене. Ген дает информационную РНК, та соединяется с рибосомой, транспортные РНК подтаскивают аминокислоты, и из них в полном согласии с приказом ДНК строится ферментный белок. Во всей этой сложной системе взаимоотношений на первом месте стоит ген. Если есть ген, значит, клетка будет знать, как делать данный фермент, и непременно сделает его. (Все остальные условия — наличие рибосом, аминокислот, транспортных РНК и т. д.— непременно выполняются, если клетка живая. Она и живая-то в значительной мере поэтому.)

Но в генетике было принято: если ген есть, то и деваться некуда — он непременно сработает. В случае же с лактозой творились форменные чудеса.

Пока лактозы не было, фермента в клетке не было. Значит, и гена для него не было?!

Потом лактозу добавили — синтез фермента начался. Что же, добавление сахара образовало новый ген в хромосомах? Это же мистика! Тем более, что таинственные превращения на этом не кончались: если в среду добавлялось мало лактозы, как только клетка съедала ее всю, дальнейший синтез фермента прекращался. Значит, когда запас сахара иссякал, ген снова исчезал?!

Конечно, принять теорию произвольного зарождения генов и столь же легкого их исчезновения никто не мог. Оставалось одно — предположить наличие в клетках каких-то регулировщиков, включавших или выключавших работу генов по команде извне. Но ни природа регулировщиков, ни метод их работы, ни характер команд известен не был. Не был до тех пор, пока Франсуа Жакоб и другой сотрудник Пастеровского института в Париже — Жак Моно не пришли к решению проблемы.