От описаний сопутствовавших нам событий в Оренбурге вернемся к научным делам этого периода.
В наших исследованиях тогда особое внимание уделялось биологической роли нуклеиновых кислот — связи структурного состояния их молекул с функциональным состоянием органоидов, клеток и организма в целом, а главное — выяснению значимости нуклеиновых кислот в морфогенетических процессах в сопоставлении с другими биологическими молекулами, особенно с молекулами белка.
Здесь хотелось бы отметить, что до начала эпохи молекулярной биологии (первые годы «оренбургского периода» 1946–1953) функциональный облик нуклеиновых кислот представлялся еще довольно туманным. Аргументами в пользу их биологической важности в то время служили лишь такие факты, как сосредоточенность этих кислот в эмбриональных и регенерирующих тканях, железистых образованиях, репродуктивных органах и непременно в контакте с белками; еще только начали появляться публикации о способности их к трансформации наследственных свойств. Исключительно на этом основании в предложенной нами функциональной классификации биохимических соединений организма мы отнесли их к биологически активным конститутивным веществам протоплазмы. Уже на первых этапах исследований мы пришли к твердому убеждению, что все основные биологические (генетические и морфогенетические) функции нуклеиновые кислоты в организме выполняют только через белки. Это представление положено нами в основу изучения морфогенеза растений, неоднократно докладывалось на симпозиумах, защищено в докторской диссертации (1954) и опубликовано в нашей первой монографии: «Нуклеиновые кислоты и морфогенез растений» (М.: Высшая школа, 1959).
Фактически в те же годы зарождалась молекулярная биология, а белки и нуклеиновые кислоты становились первыми и главными ее объектами. Особенно важной и интересной для нас была история раскрытия природы молекул нуклеиновых кислот.
Началось это с открытия биохимиками и физиками структуры и биологической функции их молекул. При этом решающую роль в повороте методологии биологов, несомненно, сыграла расшифровка функций и организации молекулы ДНК. В памяти нашего поколения (30-е гг. и начало 40-х) еще сохранились остатки прежних представлений о так называемой «тимонуклеиновой кислоте» (с конца 19-го века источником получения ДНК был главным образом тимус животных) как о полимере тетрануклеотида, немногим сложнее крахмала.
Открытию ДНК в новом качестве предшествовали классические исследования Эрвина Чаргафа (1950) и Джеймса Давидсона (1955), которые показали ее специфичность для организмов по составу нуклеотидов и установили ряд строгих числовых отношений между нуклеотидами в ее молекуле. Они известны как «правила Чаргафа». Затем это легло в основу модели двуспиральной структуры молекулы ДНК: ее предложили биохимик Дж. Уотсон и физик Ф. Крик весной 1953 г.
Первое время ДНК находили только у животных, а РНК только у растений. Р. Фёльгену и Х. Розенбеку в 1924 г. посредством качественной микрохимической реакции удалось показать широкое распространение ДНК у растений. Окончательно общность ее для животных и растений биохимически доказали в 1936 г. А. Н. Белозерский и И. Дубровская.
По крайней мере до 1950 г. не существовало единого мнения о том, к какому классу молекул принадлежат гены. Модель Уотсона-Крика убедительно показала, что это ДНК.
Вскоре Дж. Кендрью расшифровал третичную структуру миоглобина, а Макс Перутц — четвертичную структуру гемоглобина. Был открыт матричный принцип биосинтеза молекул нуклеиновых кислот и белков, раскрыты механизмы молекулярного кодирования — универсального способа передачи генетической информации от ДНК белкам, выявлена молекулярная организация генома и в принципе решена проблема гена.
Все это произошло в течение первого десятилетия после опубликования двуспиральной модели ДНК, и 1953 стал годом отсчета молекулярной биологии.
Молекулярная биология как наука дала свойственные ей методы, в числе которых — внеклеточный матричный синтез белков, нуклеиновых кислот, клонирование гена, многочисленные варианты молекулярной гибридизации, рестрикционный анализ ДНК, перенос генов, или трансгеноз, и многие другие манипуляции с молекулами, открывшие новые пути и возможности генетического и филогенетического анализа в познании коренных процессов, лежащих в основе развития организма.
Одной из первоочередных задач молекулярной биологии того времени стало — выяснить механизм регуляции генной активности ДНК. Очевидно, что в каждый данный момент в клетке функционируют не все гены. Их действия строго упорядочены и подчинены определенной системе. Первыми такую систему для бактериальной ДНК предложили Ф. Жакоб и Ж. Моно (1964). Они показали, что нити ДНК, кроме структурных цистронов, имеют цистроны-операторы и регуляторы. Первые расположены непосредственно при структурных цистронах (обычно один оператор на серию цистронов). Они «разрешают» или «запрещают» транскрибирование иРНК структурными цистронами. Цистроны-регуляторы дают сигнал операторам, вырабатывая вещества-репрессоры. При этом вся система работает по принципу обратной связи: например, импульс на синтез фермента возникает при появлении в клетке соответствующего субстрата, который снимает репрессию оператора, и наоборот, избыток конечного продукта ферментативных реакций включает репрессор, тем самым подавляя функцию гена, продуцирующего ферменты.
В клетках высших организмов общая протяженность нитей ДНК во много раз больше, зато генетическая активность в ней составляет здесь лишь незначительную долю молекулы; остальная ее часть блокирована белками и неактивна.
