БУДОВА ДИВОВИЖНОЇ МОЛЕКУЛИ

Цей шнур, складова макета хромосоми, завтовшки близько 2,5 сантиметра. Він туго намотаний на котушки (4), завдяки чому утворюються спіралі в спіралях. Ці спіралі мають своєрідне риштування, яке надає їм стабільності. З підпису під експонатом ми дізнаємося, що цей шнур упакований дуже компактно. Якщо розкрутити шнур кожної хромосоми, то загальна довжина усіх шнурів дорівнюватиме приблизно половині окружності Земліa.

В одній науковій книжці це компактне пакування названо «неповторним шедевром інженерії»¹⁸. Чи розсудливо вірити, що такий шедевр виник без інженера? Або уявіть, що в нашому музеї є величезний магазин, в якому мільйони різних товарів розставлені настільки впорядковано, що можна відразу знайти потрібну річ. Хіба можна припустити, що ніхто не приклав до цього рук? Звичайно, ні. Адже вражає вже сама впорядкованість товарів у магазині.

Підпис під експонатом заохочує взяти в руки шнур і уважно розглянути його (5). Ви бачите, що він складається з двох скручених по спіралі шнурів, між якими на однаковій відстані розміщені крихітні щаблі. Цей подвійний шнур нагадує гвинтову драбину (6). Врешті ви розумієте, що тримаєте в руках модель молекули ДНК. Це одна з найбільших таємниць усього живого!

Одна компактно спакована молекула ДНК з її котушками та риштуванням і є хромосомою. Щаблі цієї драбини називаються парами основ чи парами нуклеотидів (7). Яку роль вони виконують? Для чого вони? На одному з підписів міститься спрощене пояснення.

ДОСКОНАЛА СИСТЕМА ЗБЕРІГАННЯ ІНФОРМАЦІЇ

Ключ до розуміння ДНК криється в щаблях гвинтової драбини. Припустіть, що ця драбина розкололася і з кожного боку лишилися частинки щаблів. Вони бувають лише чотирьох видів, і науковці позначають їх літерами А, Г, Ц і Т. Вчені були вражені, зрозумівши, що за допомогою комбінацій цих літер кодується інформація, яку містить ДНК.

Ви, мабуть знаєте, що в XIX столітті було винайдено азбуку Морзе, завдяки якій люди могли передавати інформацію по телеграфу. Хоча ця азбука має тільки дві «літери» — крапку і тире, ними можна записати безліч слів та речень. Азбука ДНК складається з чотирьох літер. З комбінації цих літер — А, Г, Ц і Т — пишуться «слова», які називаються кодонами, а з кодонів — цілі «історії», тобто гени. Кожен ген в середньому містить 27 000 літер. Ці гени і довгі проміжки між ними укладені в своєрідні розділи — хромосоми. Ціла «книга» — геном, тобто повна генетична інформація про конкретну людину, складається з 23 хромосомb.

Якби геном записати на папері, то вийшла б величезна книга. Загалом людський геном складається приблизно із трьох мільярдів пар нуклеотидів, або щаблів драбини ДНК¹⁹. Уявіть собі багатотомну енциклопедію, кожен том якої має понад тисячу сторінок. Геном людини зайняв би 428 таких томів. Але кожна клітина містить дві копії геному, тобто 856 томів уявної енциклопедії. Щоб власноруч надрукувати свій геном, треба було б працювати приблизно 80 років по вісім годин у день і без відпустки.

Навіть якби вам вдалося надрукувати всю цю інформацію, то вона б виявилася непотрібною. Адже вам просто не під силу запакувати сотні громіздких томів у кожну зі 100 трильйонів мікроскопічних клітин свого тіла.

Професор молекулярної біології та інформатики зазначає: «В одному грамі молекули ДНК, об’єм якої у висушеному вигляді становив би близько одного кубічного сантиметра, зберігається стільки інформації, скільки в одному трильйоні компакт-дисків»²⁰. Що це означає? Як уже згадувалося, ДНК містить гени з інструкціями для побудови людського організму, і всі клітини мають повний набір таких інструкцій. В одній лише чайній ложці ДНК міститься інформація, на основі якої можна створити в 350 разів більше людей, ніж живе сьогодні! А для створення семи мільярдів людей, які нині населяють нашу планету, достатньо, щоб ДНК вкрила цю ложку тоненькою плівкою²¹.

«МАШИНИ» В ДІЇ

Повернімося знову в наш музей. Довкола панує тиша. Ви стоїте коло ядра клітини і, розглядаючи його, запитуєте себе: «Чи дійсно все тут таке нерухоме?» Тоді ви помічаєте під склом інший експонат — макет частини ДНК, а також напис над ним: «Для перегляду натисніть кнопку». Ви натискаєте і чуєте, як екскурсовод пояснює: «ДНК виконує принаймні два важливих завдання. Перше називається реплікацією. Під час реплікації робиться копія ДНК, завдяки чому кожна нова клітина отримує повний набір тої самої генетичної інформації. Подивіться, як це відбувається».

З одного боку нашого експоната видно отвір. У ньому з’являється дивовижна машина, а точніше сукупність поєднаних між собою пристроїв. Ця машина наближається до ДНК і, прикріпившись, починає рухатись по ній, як поїзд по колії. Оскільки швидкість машини доволі велика, важко зрозуміти, що саме вона робить. Але там, де машина проїхала, ви бачите не один шнур ДНК, а два.

Екскурсовод продовжує: «Процес реплікації ДНК показано дуже спрощено. Група молекулярних машин, які називаються ферментами, рухаються по ДНК і, розділяючи її на два окремі шнури, використовують кожен шнур як шаблон для створення нового комплементарного шнура. Ми не можемо показати вам усіх механізмів, що беруть участь у процесі реплікації. Тут не видно крихітного механізму, який рухається попереду реплікаційної машини і перерізає один з ланцюгів ДНК. Завдяки цьому ДНК вільно обертається і не скручується надто туго. Неможливо також показати і того, як по кілька разів перевіряється точність реплікації ДНК. Спеціальні пристрої дуже ретельно вишукують і виправляють усі помилки». (Дивіться малюнок у супровідній інформації).

Далі екскурсовод розповідає: «Але ми можемо показати, з якою швидкістю усе відбувається. Ви, мабуть, помітили, що ця машина рухається по драбині ДНК доволі швидко — 100 щаблів, або пар нуклеотидів, за секунду²³. Якби ДНК мала розміри залізничної колії, то ця машина мчала б зі швидкістю понад 80 кілометрів за годину. А в бактеріях ці крихітні реплікаційні машини рухаються в десять разів швидше! В людській клітині працюють сотні реплікаційних машин, прикріплених у різних ділянках ДНК. Лише за вісім годин вони здатні зробити повну копію геному людини»²⁴. (Дивіться супровідну інформацію «Молекула, яку можна зчитувати і копіювати»).

ЗЧИТУВАННЯ ДНК

Реплікаційна машина ДНК зникає з поля зору, і з’являється нова машина, яка теж рухається по ДНК, але значно повільніше. Ви бачите, як шнур ДНК входить у цю машину з одного боку і без жодних змін виходить з другого. Але ще з іншого отвору машини виростає, наче хвіст, новий одинарний шнур. Що ж відбувається?

Екскурсовод пояснює: «Друге важливе завдання ДНК — це транскрипція. ДНК ніколи не покидає безпечного ядра клітини. Тож як можна прочитати і застосувати інформацію, що міститься в генах і є необхідною для побудови усіх білків нашого організму? Ззовні ядра клітини надходять хімічні сигнали й активують ділянку ДНК з потрібним геном. Ферментна машина знаходить цю ділянку і робить копію гена. Для цього вона послуговується молекулою РНК. Ця РНК схожа на одинарний шнур ДНК, але не до кінця. Її завдання — переносити закодовану в генах інформацію. РНК отримує цю інформацію у ферментній машині, а тоді, покинувши ядро, прямує до однієї з рибосом. У рибосомі на основі цієї інформації будується білок».

Те, що ви побачили, напевно, справило на вас сильне враження. Ви в захопленні від музею і від винахідливості тих, хто придумав і сконструював ці машини. А що, якби всі експонати музею стали рухатися, демонструючи тисячі процесів, які відбуваються в людській клітині водночас? Це було б справжнє видовище!

Але власне зараз усі ці процеси, які виконують крихітні складні машини, проходять у 100 трильйонах клітин вашого тіла. Ваша ДНК зчитується, і так постачаються вказівки для побудови сотень тисяч різних білків вашого організму — його ферментів, тканин, органів тощо. В цю мить робляться копії вашої ДНК та виправляються помилки, щоб кожна нова клітина отримала повний набір інструкцій.