Открытие Херши и Чейз

Трудно сказать, что заставило этих ученых приступить к опытам. К 1952 году было хорошо известно, что при встрече фага с клеткой прежде всего происходило их соединение. Сначала фаги просто прилипали к поверхности клетки, и некоторое время их можно было довольно легко оторвать от клетки простым встряхиванием. Затем фаг проникал внутрь, и тогда уже высвободить его можно было, только разрушив клетку. Проникшие фаги размножались, и их потомство, разламывая клетку, выходило наружу. Все начиналось сначала. Такая последовательность событий была твердо установленным и — главное — понятным фактом. В 1951 году Андерсоном были сделаны фотографии в электронном микроскопе, на которых отчетливо виднелись фаговые частицы, присосавшиеся к клетке. Более того, в стенках клеток оказались даже специальные «посадочные площадки» для вирусов, так называемые клеточные рецепторы, на которые и усаживались вирусы перед проникновением в клетку. Весь строй доказательств выглядел очень убедительным.

Но как это ни странно, Херши и Чейз решили проверить, насколько верна картина, нарисованная прежними исследователями. Первое, на что они посягнули, — а проникает ли фаг в клетку вообще? На поверхности клетки в электронный микроскоп фаги были видны. Но разглядеть их внутри клеток в те годы никому не удавалось. Тем более нельзя было увидеть процесс проникновения фага в клетку. Стоило только подставить клетку с налипшими фагами под пучок электронов, как электроны убивали все живое, и то, что отражалось на экране микроскопа, было лишь посмертной маской некогда живых существ.

Ученым помогли методы радиационной химии. В биологии, как, впрочем, и в других науках, получил широкое распространение метод радиоактивных индикаторов — изотопов. Часть атомов исследуемого соединения заменялась атомами их радиоактивных изотопов, и эти изотопы, посылая альфа-, бета- или гамма-излучение, сигнализировали о том, где они находятся в данную минуту. Задача исследователя заключалась лишь в том, чтобы, настроив свои приборы, уловить это излучение и по нему «запеленговать» местонахождение «горячего» атома.

Этот метод и решили применить Херши и Чейз. Помните, мы говорили, что фосфор, который Стенли посчитал составной частью белка, на самом деле оказался компонентом нуклеиновой кислоты. Зато сера, как было хорошо известно, содержалась в белке, но не входила в состав ДНК. Раз так, то можно было пометить радиоактивной серой белок фага, а радиоактивным фосфором - его нуклеиновую кислоту. После того как белок и ДНК были отмечены разной меткой, можно было напустить такие фаги на клетки и, проследив за судьбой радиоактивной метки, дознаться, какова судьба самих фаговых частиц.

Опыт начался. В пробирки с суспензией бактерий влили нужную порцию меченых радиоактивными фосфором и серой фагов. Через каждые 60 секунд отбирались пробы, и в них определялось содержание отдельно фосфора и отдельно серы как в клетках, так и вне их.

Спустя две с половиной минуты было отмечено, что количество «горячего» фосфора на поверхности клеток оказалось равным 24%, а серы снаружи было в три раза больше — 76%. Еще через две минуты стало ясно, что никакого равновесия между фосфором и серой не наступает и впоследствии: сера упорно не желала лезть внутрь клеток, а оставалась снаружи. Через десять минут — время достаточное, чтобы не менее 99% всех фагов прикрепилось и проникло внутрь бактерий — клетки подвергли интенсивному встряхиванию; оторвали все, что прилипло к ним снаружи, а затем отделили центрифугированием бактериальные клетки от фаговых частиц. При этом более тяжелые клетки бактерий осели на дно пробирок, а легкие фаговые частицы остались в жидкости, так называемом надосадке.

Теперь дело за точными физическими приборами. Надо измерить отдельно радиоактивность осадка и надосадка, причем измерить не просто общую радиоактивность, а ухитриться отличить «сигналы» радиоактивного фосфора от излучения радиоактивной серы. Радиохимики знают, как непроста эта задача. Но опыты Херши и Чейз велись на хорошем экспериментальном уровне. Отличить излучение серы от фосфора они смогли, а по величине радиоактивности им не трудно было высчитать, сколько фагов попало внутрь клеток и сколько осталось снаружи. Для контроля они тут же провели биологическое определение числа фагов в надосадке.

И вот тут-то и наступил полнейший конфуз. Биологическое определение дает цифру: 10%. Действительно, 10% всех взятых в опыте фагов не проникло внутрь клеток. Остальные были внутри бактерии. А измерение радиоактивности говорило о другом: вместо того чтобы внутри бактерий обнаружить 90% радиоактивной серы и 90% радиоактивного фосфора, весь меченый фосфор был найден внутри бактерий, а вся сера осталась в надосадке. Как может проникнуть внутрь вся ДНК, а весь белок остаться снаружи? Как при этих условиях фаг ухитрится размножиться внутри клеток? Вроде и размножаться-то нечему: ведь там и фагов-то целых нет, одни нуклеиновые кислоты.

Но пришло время, и из бактерий начали преспокойно вываливаться готовые полноценные фаги, абсолютно точно воспроизводящие все свойства первоначально взятых в опыт частиц. Все признаки, присущие фагам, были переданы с помощью их ДНК. Удивительное делю!

Опыт А. Херши и M. Чейз. Клетку заражали фаговыми частицами, у которых оболочка была мечена радиоактивной серой, а ДНК радиоактивным фосфором.
После заражения вся радиоактивность, связанная с оболочками, осталась на поверхности клеток, а ДНК проникла внутрь бактериальной клетки.

Как это всегда бывает, начали припоминать другие курьезы, случившиеся с фагами. Еще до опытов Херши и Чейз бактериологам был известен один забавный факт, долго не находивший себе объяснения. Если разрушали клетки, зараженные фагами, внутри них не находили никаких фаговых частиц. Фаги исчезали, становились невидимками. Так продолжалось в течение пятнадцати—двадцати минут после заражения клеток. А потом... потом вдруг, откуда ни возьмись, в клетке начиналась «цепная реакция» формирования зрелых фагов. Сначала единицы, потом десятки; к двадцатой—тридцатой минуте с момента заражения в клетке имелось уже несколько сотен новеньких фаговых частиц, а спустя еще несколько минут они разрывали клетку и выходили наружу.

Бактериальные клетки, зараженные фагом, разрезали на разных этапах развития фагов; срезы рассматривали в электронном микроскопе. Сначала области, в которых синтезируются фаги, были светлыми. Затем начали появляться четкие очертания нескольких фаговых частиц. На последнем фото видно уже несколько десятков сформировавшихся фаговых частиц.

Опыты Херши и Чейз помогли понять это крайне странное явление. Поиски фаговых частиц в клетке в первые пятнадцать—двадцать минут были напрасны. Их там и не могло быть, так как внутрь бактерий они и не проникали. Туда входила только фаговая ДНК. Она одна управляла синтезом новых фаговых частиц.

Результаты опытов Херши и Чейз оказались исключительно важными для последующего развития генетики. Они очень изящно доказали роль ДНК в наследственности. Применив могучий арсенал современного естествознания, новейшие достижения ядерной физики и радиохимии, вирусологии и биохимии, эти исследователи пришли к утверждению фундаментальной роли ДНК в передаче генетической информации. Впервые выяснилось, какое именно химическое соединение обладает генетической памятью. К удивлению большинства биологов, нуклеиновая кислота, которой, как в сказке Золушкой, все пренебрегали, оказалась главным действующим лицом в самом важном биологическом процессе. Старинное заблуждение об исключительной роли белка было опровергнуто.

И, так же как Золушка, дезоксирибонуклеиновая кислота, превратившись в прекрасную и загадочную «принцессу», завладела всеобщим вниманием. Множество ученых бросилось на ее поиски. Не прошло и десяти лет, как ДНК стала самой «модной» молекулой. И, пожалуй, самой изученной.