Самая главная молекула: От структуры ДНК к биомедицине XXI века

Москва
2017

 МАКСИМ ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ

Самая главная 
молекула

от структуры ДНК 
к биомедицине XXI века

ISBN 978-5-91671-131-8
(«Библиотека ПостНауки»)

ISBN 978-5-91671-648-1

Все права защищены. Никакая часть этой книги не 
может быть воспроизведена в какой бы то ни было 
форме и какими бы то ни было средствами, включая 
размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, 
а также запись в память ЭВМ, для частного или 
публичного использования без письменного разрешения 
владельца авторских прав.

© Франк-Каменецкий М., 2017
© НП «Редакционно-издательский дом 
«ПостНаука», 2017
© ООО «Альпина нон-фикшн», 2017

УДК 576.3
ББК 28.05 
 
Ф83

Главный редактор серии И.  Максутов
Редактор П.  Суворова

Франк-Каменецкий М.

Ф83  
Самая главная молекула: От структуры ДНК к биомедицине 
XXI века / Максим Франк-Каменецкий ; — М. : Альпина нон-
фикшн, 2017. — 336 с. : ил. — (Серия «Библиотека ПостНауки»). 

ISBN 978-5-91671-648-1

Из всего, что нас окружает, самой необъяснимой кажется жизнь. 
Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли 
способность удивляться. Но пойдите в лес, взгляните так, будто вы 
их увидели впервые, на деревья, траву, цветы, на птиц и муравьев, 
и вас охватит чувство беспомощности перед лицом великой тайны 
жизни. Неужели во всем этом есть нечто общее, нечто такое, что 
объединяет все живые существа, будь то человек или невидимый 
глазом микроб? Что определяет преемственность жизни, ее возрождение 
вновь и вновь из поколения в поколение? Эти вопросы стары как 
мир, но только во второй половине XX века удалось впервые получить 
на них ответы, которые, в сущности, оказались не слишком сложными 
и, главное, ослепительно красивыми. О том, как их удалось получить 
и в чем они состоят, рассказывается в этой книге. Центральное место 
в науке молекулярной биологии, которая призвана дать ответ на вечный 
вопрос: «Что такое жизнь?», занимает молекула ДНК. О ней 
главным образом и пойдет речь. Большое внимание автор уделил тем 
вопросам, при решении которых особенно важную роль играют 
физика и математика. Это отличает данную книгу от множества 
других, посвященных ДНК.

УДК 576.3
ББК 28.05

Содержание

Предисловие .............................................................................................. 7

1. 
От новой физики к новой биологии ........................................ 11

1930-е годы ....................................................................................... 13

Фаговая группа ................................................................................. 16

Эрвин Шрёдингер ............................................................................ 18

Рентгеноструктурный анализ ........................................................ 19

Уотсон и Крик  .................................................................................. 23

2. 
От ДНК к белку ............................................................................... 31

Как делается белок .......................................................................... 33

Генетический код ............................................................................. 38

Универсален ли код? ....................................................................... 43

3. 
Знакомьтесь: самая главная молекула .................................. 45

Она похожа на… штопор ................................................................. 47

Она похожа на оконное стекло ..................................................... 51

Она плавится, но не так, как лед ................................................. 55

Она похожа на путь человека, заблудившегося в лесу ........... 63

4. 
Под знаком ДНК ............................................................................. 67

Кризис молекулярной биологии ................................................... 69

Перелом ............................................................................................. 74

Вековая мечта человека ................................................................ 77

Содержание

Плазмиды .......................................................................................... 80

Микробы вырабатывают нужные нам вещества ....................... 83

5. 
ДНКовые тексты ............................................................................ 87

Еще раз о кризисе ........................................................................... 89

Гель-электрофорез ........................................................................... 90

Как читают ДНКовые тексты .......................................................... 92

Первые неожиданности .................................................................. 96

Коды митохондрий ........................................................................... 98

Эра ДНКовых последовательностей .......................................... 102

6. 
Откуда берутся гены? ................................................................ 111

Теория эволюции и генетика....................................................... 113

Расчлененные гены ....................................................................... 116

Прыгающие гены ........................................................................... 121

Врожденный иммунитет ............................................................... 128

Генные глушители .......................................................................... 131

Приобретенный иммунитет у бактерий ..................................... 134

7. 
Кольцевые ДНК ........................................................................... 143

ДНКовые кольца ............................................................................ 145

Сверхспирализация и топоизомеразы ...................................... 148

Зачем нужна сверхспирализация? ............................................ 152

Физики и математики за работой............................................... 156

Проблема концов ........................................................................... 171

8. 
Узлы из ДНК .................................................................................. 179

Об узлах ........................................................................................... 181

Узлы в химии .................................................................................. 185

Узлы из однонитевой ДНК ........................................................... 190

Узлы из двойной спирали ............................................................ 191

9. 
Споры вокруг двойной спирали ............................................. 199

Правы ли Уотсон и Крик? ............................................................. 201

Силы, стабилизирующие двойную спираль ............................. 206

Содержание 
5

Z-форма ............................................................................................ 211

Н-форма ........................................................................................... 218

10. Генная инженерия и технология 
редактирования генома.... Опасения и надежды ................ 225

Наука и изобретательство ............................................................ 227

Опасна ли генная инженерия? ................................................... 228

Битва века ....................................................................................... 231

ДНКовая цепная реакция ............................................................ 236

Генно-инженерная фармакология .............................................. 242

Технология редактирования генома .......................................... 247

Грядущий золотой век ................................................................... 258

11. ДНК и судьба ................................................................................. 261

ДНК и рак ........................................................................................ 263

Команда «Умри!»............................................................................ 272

Иммунотерапия рака ..................................................................... 276

ДНК и сердце .................................................................................. 283

Репрограммирование клетки ...................................................... 285

12. Вездесущая ДНК .......................................................................... 289

ДНК — это наше всё ..................................................................... 291

РНК-интерференция ..................................................................... 296

Зловредный ген королевы Виктории ........................................ 299

Еврейские гены .............................................................................. 303

На пороге ......................................................................................... 311

Словарь терминов ................................................................................ 315

Предисловие

Из всего, что нас окружает, самой необъяснимой кажется жизнь. 
Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли 
способность удивляться. Но пойдите в лес, взгляните так, 
будто вы их увидели впервые, на деревья, траву, цветы, на птиц 
и муравьев, и вас охватит чувство беспомощности перед лицом 
великой тайны жизни. Неужели во всем этом есть нечто общее, 
нечто такое, что объединяет все живые существа, будь то человек 
или невидимый глазом микроб? Что определяет преемственность 
жизни, ее возрождение вновь и вновь, из поколения в поколение? 
Эти вопросы стары как мир, но только во второй половине 
XX века удалось впервые получить на них ответы. В сущности, ответы 
оказались не слишком сложными и, главное, ослепительно 
красивыми. О том, как их удалось получить и в чем они состоят, 
рассказывается в этой книге. Центральное место в науке молекулярной 
биологии, которая призвана дать ответ на вечный вопрос: «
Что такое жизнь?», занимает молекула ДНК. О ней главным 
образом и пойдет речь. Большое внимание автор уделил тем 
вопросам, при решении которых особенно важную роль играют 
физика и математика. Это отличает данную книгу от множества 
других книг, посвященных ДНК.
У этой книги своя собственная биография. Первая ее версия 
под названием «Самая главная молекула» была напечатана изда-
тельством «Наука» в популярной серии «Библиотечка “Квант”» 
более 30 лет назад. Тиражи научно-популярной литературы в со-
ветское время были громадными, и 150 000 экземпляров книги 

Предисловие

быстро разошлись. Ее прочли многие школьники и студенты. 
Но и маститые ученые, в особенности физики и математики, 
нашли книгу полезной и интересной. Второе, существенно пе-
реработанное и дополненное, издание было выпущено «Библи-
отечкой “Квант”» в 1988 году опять громадным тиражом (130 
000). Тогда же стали появляться переводы книги на иностран-
ные языки под разными названиями. Первое англоязычное из-
дание (для которого она была вновь существенно переработана 
и дополнена) было осуществлено в 1993 году нью-йоркским от-
делением немецкого издательства VCH. Под новым, неперево-
димым на русский язык названием Unraveling DNA книга стала 
широко известна в читающем по-английски мире, в особенности 
после того, как в 1997 году американское издательство Addison-
Wesley опубликовало второе, вновь переработанное и дополнен-
ное, издание в мягкой обложке, которое до сих пор регулярно 
допечатывается и распространяется издательством Perseus Books 
Publishing. Вышедшее в 2004 году в издательстве КДУ («Книж-
ный дом “Университет”») третье русское издание книги под но-
вым заглавием «Век ДНК» и опубликованное в 2010 году изда-
тельством «АСТ Пресс» под заголовком «Королева живой клетки» 
четвертое издание в значительной степени представляют со-
бой авторский перевод на русский язык второго издания книги 
Unraveling DNA, причем в ходе их подготовки она была вновь 
существенно переработана и дополнена. Автор постепенно не 
только дополнял ее новым материалом, но и что-то выбрасы-
вал, чтобы она не распухала. 
Там, где это возможно, он избегал применения научных тер-
минов. Но совсем без них обойтись невозможно. Основу жизни 
составляет большое число достаточно сложных молекул, и, не на-
зывая их, ни о чем рассказать было бы нельзя. Помощь в освое-
нии терминологии призван оказать «Словарь терминов», поме-
щенный в конце книги.
Она написана с таким расчетом, что ее не обязательно чи-
тать подряд. Главы в значительной степени независимы друг 
от друга. Читатель, которому не терпится познакомиться с био-
логическими и медицинскими аспектами молекулы ДНК, может 
опустить при первом чтении главы 3, 7, 8 и 9.

Предисловие 
9

В течение прошедших со времени издания первой версии 
книги 30 с лишним лет она подвергалась существенной перера-
ботке приблизительно каждые 5 лет. И все же последняя пере-
работка потребовала наибольших изменений. Внося многочис-
ленные правки и дополнения по сравнению с предыдущими из-
даниями, автор особенно остро ощутил, насколько ускорился 
в ХХI веке темп развития науки о ДНК и в еще большей сте-
пени — темп проникновения этой науки и основанных на ней 
новых технологий в повседневную жизнь. В результате СПИД 
перестал означать смертный приговор, огромные успехи до-
стигнуты в области профилактики сердечно-сосудистых забо-
леваний. ДНК произвела подлинную революцию в криминали-
стике. С расшифровкой генома человека мы вступили в пост-
геномную эру.
Совсем недавно появилась подлинно революционная техно-
логия редактирования генома в живой клетке, сулящая как воз-
можность полного искоренения многих заболеваний, уносящих 
множество жизней, таких как малярия, но и грозящая человече-
ству многими опасностями. Невероятный прогресс происходит 
на наших глазах в области методов терапии рака, в особенности 
в сфере иммунотерапии. Обо всем этом и о многом другом рас-
сказано в новом издании книги.
Эта книга не могла бы быть написана без постоянной помощи 
и поддержки, которую я ощущал со стороны моей ныне покойной 
жены Аллы Воскобойник (1940–1985) в период подготовки пер-
вой версии книги, послужившей основой для последующих ва-
риантов. Особой благодарности заслуживает В. К. Черникова, ко-
торая была редактором исходной версии и которая обучила меня 
секретам популяризации науки. Редактор издательства «Наука» 
Л. А. Панюшкина сделала очень много для публикации первых 
двух версий книги по-русски. Английские издания книги были бы 
невозможны, если бы мой друг Лев Ляпин не вложил свою душу 
в работу над переводом. Я глубоко признателен Чарлзу Дорингу, 
Эду Иммергуту и Кристине Иризарри за помощь в подготовке 
первого английского издания нью-йоркским отделением VCH. 
Лиза Адамс (книжное агентство Garamond, Ньютон, Массачусетс) 
взяла на себя труд быть моим книжным агентом и обеспечила 

Предисловие

успех второго английского издания. Я благодарен «Пост Науке» 
и ее лидеру Ивару Максутову за упорство и терпение, проявлен-
ное при переговорах со мной и с издательством «Альпина нон-
фикшн», приведших к настоящему изданию.
M. Д. Франк-Каменецкий,
сентябрь 2016 года,
Бостон, США

От новой физики 
к новой биологии

Потрясающие вещи происходят в биологии. 
Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое 
с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году.

Из письма Макса Дельбрюка Нильсу Бору 
от 14 апреля 1953 года

1930-е годы

В первой трети ХХ века наиболее значительные, революцион-
ные преобразования происходили в физике. Создание теории 
относительности и квантовой механики до самого основания 
потрясло эту старую науку, дав ей новый, неслыханной силы им-
пульс к дальнейшему развитию как вглубь, в поисках универ-
сальных физических законов, так и вширь, в смежные области.
Одной из главных вех на пути создания новой физики было 
открытие Резерфордом в 1911 году атомного ядра. Само суще-
ствование атома Резерфорда находилось в вопиющем противо-
речии с основными законами классической физики. На смену 
старой физике пришла новая, квантовая физика, которая при-
звана была объяснить устойчивость атомов и их удивительные 
линейчатые спектры.
Эта теория, разработка которой была начата Планком, Эйн-
штейном и Бором, нашла замечательно ясную формулировку 
в 1926 году в виде знаменитого уравнения Шрёдингера. Кванто-
вая механика не только позволила физикам решить все голово-
ломки, которые накопились в области атомных спектров. Она по-
ставила на прочный теоретический фундамент всю химию. Нако-
нец-то был понят сокровенный смысл атомного номера в таблице 
Менделеева! Стал ясен истинный смысл валентности, выяснена 
природа химической связи, скрепляющей атомы в молекулах.
К началу 1930-х годов у физиков появилось ощущение все-
могущества. Итак, с атомами все ясно, с молекулами тоже, что 
там еще? Ага, непонятно, как устроено атомное ядро. Занялись 
ядром. «Ну, здесь вряд ли есть работа на всех, — считали ли-
деры. — Надо бы придумать что-нибудь покрупнее». И их взоры