Генетика қашан зерттеле бастады?

Балалардың неге ата-анасына ұқсайтыны туралы сұрақ адамзатты өте ерте заманнан бері толғандырып келеді. Ежелгі егіншілер мен мал өсірушілер тірі ағзалардың белгілері қандай да бір жолмен ұрпақтан ұрпаққа берілетінін интуитивті түрде түсінген және осы білімді ең жақсы жануарлар мен өсімдіктерді іріктеу үшін пайдаланған. Алайда қарапайым бақылаудан тұқым қуалаушылық механизмдерін ғылыми тұрғыдан түсінуге дейін мыңдаған жыл өтті. Генетика ғылым ретінде нақты туған күні, белгілі бір негізін қалаушысы және таңғаларлықтай қысқа тарихы бар сала болып саналады — алғашқы жүйелі тәжірибелер мен адам геномының толық ашылуының арасын екі жүз жылға да жетпейтін уақыт бөліп тұр. Монастырь бақшасынан ДНҚ секвенаторлары бар заманауи зертханаларға дейінгі бұл ғылымның жолы адамзат танымының тарихындағы ең қызықты оқиғалардың бірі болып саналады.

Ғылымға дейінгі кезең: бақылаулардан болжамдарға дейін

Ғылым ретінде қалыптасқанға дейін тұқым қуалаушылық туралы түсініктер философиялық жорамалдар, халықтық бақылаулар және селекцияның тәжірибелік тәсілдері түрінде өмір сүрді. Бұл ғылыми емес білімдер мыңдаған жыл бойы жиналып, кейінгі үлкен ашылулардың негізін қалады.

Тұқым қуалаушылықты түсіндіруге бағытталған алғашқы талпыныстардың ішінде мыналар ерекше назар аударады:

• б.з.д. V ғасырда Гиппократ «пангенезис» теориясын ұсынды, оған сәйкес адамның әрбір мүшесі ерекше «тұқымдар» бөліп шығарады және олар ұрпаққа беріледі;
• Аристотель бұл идеяны жоққа шығарып, тұқым қуалауда зат емес, еркек ұрығында сақталған даму формасы мен қабілеті беріледі деп есептеді;
• ортағасырлық араб ғалымдары белгілі бір отбасылардағы аурулар мен физикалық ерекшеліктердің ұрпақтан ұрпаққа берілуін сипаттап, эмпирикалық мәліметтер жинақтады;
• XVII–XVIII ғасырларда еуропалық селекционерлер жануар тұқымдарын және өсімдік сорттарын мақсатты түрде будандастырып, механизмін түсінбесе де қажетті белгілерге қол жеткізді;
• XVIII ғасырда Пьер Луи Мопертюи бір отбасының бірнеше ұрпағында көпсаусақтылықтың тұқым қуалау жағдайларын сипаттап, тұқым қуалайтын фактор ұғымына жақындай түсті.

Бұл талпыныстардың барлығын біріктірген негізгі кемшілік — эксперименттік әдістің және сандық талдаудың болмауы еді. Бақылаулар жиналғанымен, олардың ішінде жүйелілік ізделмеді — Бърно қаласындағы қарапайым монах бұл мәселемен айналысқанға дейін.

Мендель және эксперименттік генетиканың тууы

Грегор Иоганн Мендель 1856 жылдан 1863 жылға дейін монастырь бақшасында бұршақ өсімдігімен әйгілі тәжірибелерін жүргізді. Дәл осы жұмыс генетиканың нақты ғылым ретінде қалыптасуына негіз болды, бірақ зерттеуші өз идеяларының мойындалғанын көзі тірісінде көре алмады.

Мендельдің әдісіндегі басты ерекшеліктер оның тәжірибелерінің табысты болуын қамтамасыз етті және оны алдыңғы зерттеушілерден түбегейлі ерекшелендірді.

1. Зерттеу нысанын таңдау өте сәтті болды. Бұршақ өсімдігінде айқын айырмашылығы бар альтернативті белгілер кездеседі — тегіс немесе әжімді тұқымдар, сары немесе жасыл бұршақтар, биік немесе аласа сабақтар. Осындай айқын контраст будандастыру нәтижелерін субъективті қателіктерсіз дәл есептеуге мүмкіндік берді.
2. Мендель алғаш рет биологиялық деректерге статистикалық талдау қолданды. Ол ұрпақтағы әртүрлі формалардың арақатынасын мұқият есептеп, олардың математикалық дәлдікпен қайталанатынын анықтады — екінші ұрпақта 3:1 қатынасы байқалады. Сандық тәсіл тұқым қуалау заңдарын әмбебап ереже ретінде тұжырымдауға мүмкіндік берді.
3. Ғалым доминантты және рецессивті белгілер ұғымын енгізді. Біріншілері бірінші ұрпақ гибридтерінде байқалады, ал екіншілері жасырын күйде қалып, кейінгі ұрпақта қайта көрінеді. Бұл жаңалық бұрыннан белгілі, бірақ түсіндірілмеген құбылысты — белгілердің кейде бір ұрпақты «өткізіп» кетуін — түсіндірді.
4. Мендельдің тәжірибелері сегіз жылға созылып, шамамен 29 000 өсімдікті қамтыды. Осындай ауқым қорытындылардың статистикалық сенімділігін қамтамасыз етті және кездейсоқ ауытқуларды жоққа шығарды. Дәлдік, шыдамдылық және математикалық ойлау қабілетінің үйлесімі оның нәтижелерін қайта тексеруге болатын ғылыми заңдарға айналдырды.

1866 жылы Мендель өз нәтижелерін Бърно жаратылыстанушылар қоғамының аз таралған журналында жариялады, бірақ ғылыми қауымдастық бұл жұмысты іс жүзінде елемеді. Оның еңбегі тек 1900 жылы — автор қайтыс болғаннан кейін 16 жыл өткен соң — қайта ашылды.

Мендельдің қайта ашылуы және «генетика» терминінің пайда болуы

XX ғасырдың басы тұқым қуалаушылыққа деген қызығушылықтың күрт артуымен ерекшеленді. 1900 жылы бірден үш тәуелсіз зерттеуші — Гуго де Фриз, Карл Корренс және Эрих фон Чермак — өз тәжірибелерінде Мендель сипаттаған заңдылықтарды қайта анықтап, әдебиеттерді зерттеу кезінде оның ұмытылған еңбегіне тап болды.

Бұл сәйкестік кездейсоқ емес еді — ғылым бұл жаңалыққа дайын болған, және бірнеше ғалым әртүрлі жолмен соған жақындап келе жатқан. Мендель заңдарының қайта ашылуы тұқым қуалайтын бірліктердің табиғаты мен олардың ұрпаққа берілу механизмі туралы кең ғылыми пікірталас тудырды.

XX ғасырдың алғашқы онжылдықтарында жас ғылым өте жылдам дамыды:

• 1905 жылы Уильям Бэтсон жаңа ғылыми бағытты белгілеу үшін «генетика» терминін ұсынды;
• 1909 жылы Вильгельм Иогансен «ген», «генотип» және «фенотип» ұғымдарын енгізіп, ғылымның терминологиялық негізін қалыптастырды;
• Томас Хант Морган мен оның Колумбия университетіндегі зерттеу тобы жеміс шыбыны дрозофиламен жүргізілген тәжірибелер арқылы гендердің хромосомалармен байланысын дәлелдеді;
• Морган хромосомалардағы гендердің орналасу карталарын жасап, 1933 жылы Нобель сыйлығын алды;
• осы кезеңде популяциялық генетика да қалыптасып, мендельдік тұқым қуалау мен Дарвиннің эволюция теориясын біріктірді.

Мендель заңдары қайта ашылғаннан кейін генетика академиялық қызығушылықтан биологияның негізгі салаларының біріне айналып, барған сайын жылдам қарқынмен дами бастады.

ДНҚ құрылымының ашылуы: молекулалық революция

Гендердің хромосомалармен байланысты екені белгілі болғанымен, тұқым қуалайтын материалдың химиялық табиғаты туралы сұрақ ашық күйінде қалды. Бұл жұмбақтың шешімі XX ғасырдың ортасында табылып, молекулалық биологияның басталуына жол ашты.

ДНҚ құрылымын ашуға апаратын жол ұзақ болды және көптеген ғалымдардың еңбегін талап етті. 1944 жылы Освальд Эйвери әріптестерімен бірге тұқым қуалайтын ақпараттың тасымалдаушысы ақуыздар емес, дәл ДНҚ екенін дәлелдеді. Бұл жаңалық зерттеу бағытын өзгерткенімен, бастапқыда үлкен күмәнмен қабылданды.

ДНҚ молекуласының құрылымын анықтауға бірнеше ғылыми топтардың зерттеулері маңызды үлес қосты.

1. Эрвин Чаргафф 1940-жылдардың соңында ДНҚ құрамындағы маңызды заңдылықты анықтады. Молекуладағы аденин мөлшері әрдайым тимин мөлшеріне тең, ал гуанин цитозинге тең болады — бұл «Чаргафф ережесі» деп аталып, негіздердің жұптасуын түсінудің кілтіне айналды. Алайда ғалым өзі бұл жаңалықтан құрылымдық қорытынды жасай алмады.
2. Розалинд Франклин 1952 жылы ДНҚ-ның рентгендік суреттерін алды, соның ішінде атақты «Фотография 51» бар. Бұл суреттер молекуланың спиральды құрылымы туралы толық ақпарат берді. Өкінішке қарай, оның деректері Уотсон мен Крикке оның келісімінсіз беріліп, олардың зерттеуінде шешуші рөл атқарды.
3. Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик 1953 жылдың сәуірінде Nature журналында ДНҚ-ның қос спираль моделін жариялады. Бар-жоғы бір беттен тұратын бұл мақалада кейін әйгілі болған сөйлем бар — авторлар генетикалық материалдың көбею механизмі болуы мүмкін екенін «байқағандарын» атап өтті. Осы жаңалығы үшін олар Морис Уилкинспен бірге 1962 жылы Нобель сыйлығын алды.
4. Қос спиральдің ашылуы ақпараттың қалай оқылып, қалай берілетінін түсіндіру мәселесін бірден алға шығарды. Кейінгі онжылдықтарда генетикалық код толық шешілді — нуклеотид үштіктері мен аминқышқылдары арасындағы сәйкестік анықталды — сондай-ақ репликация, транскрипция және трансляция механизмдері ашылды. Бұл жаңалықтар молекулалық биологияның «орталық догмасын» қалыптастырды.

Геномдық дәуір: жеке гендерден толық геномдарға дейін

XX ғасырдың соңғы ширегі генетикадағы технологиялық революциямен ерекшеленді — ДНҚ-ның толық тізбектерін оқуға мүмкіндік пайда болды. Бұл жеке гендерді зерттеуден тұтас геномдарды талдауға көшу ғылымның ауқымы мен мүмкіндіктерін түбегейлі өзгертті.

1977 жылы Фредерик Сэнгер ДНҚ секвенирлеу әдісін — нуклеотидтердің ретін анықтау тәсілін — жасады. Бастапқыда бұл технология бір тәжірибеде бірнеше жүз негіз жұбын ғана оқуға мүмкіндік беретін, бірақ кейінгі барлық зерттеулердің негізіне айналды. Осы әдісті жасағаны үшін Сэнгер екінші Нобель сыйлығын алды — ол бұл марапатты екі рет алған санаулы ғалымдардың бірі.

Жиналған технологиялардың логикалық нәтижесі «Адам геномы» жобасы болды:

• жоба 1990 жылы 18 елдің ғалымдары қатысқан халықаралық ғылыми бағдарлама ретінде басталды;
• зерттеу жұмыстарының жалпы бюджеті шамамен 3 миллиард долларды құрады және оған әлемнің түкпір-түкпірінен мыңдаған зерттеушілер қатысты;
• мемлекеттік консорциумға Крейг Вентер басқаратын Celera Genomics жеке компаниясы бәсекелес болды, ол жылдамырақ секвенирлеу әдісін қолданды;
• 2000 жылдың маусымында АҚШ президенті Билл Клинтон мен Ұлыбритания премьер-министрі Тони Блэр геномның «жұмыс нұсқасының» аяқталғанын жариялады;
• толық секвенирлеу 2003 жылы — қос спиральдің ашылғанына елу жыл толған жылы — ресми түрде аяқталғаны жарияланды.

Адам геномының толық оқылуы медицинада, эволюциялық биологияда және жекелендірілген фармакологияда жаңа дәуірдің басталуына жол ашты.

Мендельден CRISPR-ге дейін: үздіксіз жеделдеу

Монастырь бақшасындағы алғашқы тәжірибелерден бері өткен бір жарым ғасыр ішінде генетика таңғаларлық жолдан өтті. Әрбір келесі онжылдық бұрынғы жетістіктерді қайта түсіндіретін және жаңа бағыттар ашатын жаңалықтар алып келді.

Геномды редакциялау технологиялары ғылым тарихындағы соңғы ірі революциялық қадамдардың бірі болды. Дженнифер Дудна мен Эммануэль Шарпантье жасаған CRISPR-Cas9 жүйесі 2020 жылы Нобель сыйлығына ие болып, тірі жасушалардың ДНҚ-сына бұрын-соңды болмаған дәлдікпен өзгерістер енгізуге мүмкіндік берді. Егер бұрын гендерді өзгерту технологиялары өте қымбат және күрделі болса, CRISPR бұл құралды әлемдегі көптеген зертханалар үшін қолжетімді етті.

Бүгінде генетика Мендельдің өзі елестете де алмаған бағыттарды қамтиды:

• эпигенетика ДНҚ тізбегін өзгертпей-ақ гендердің белсенділігінің тұқым қуалайтын өзгерістерін зерттейді;
• метагеномика топырақ немесе теңіз суы үлгілерінен тұтас микробтық қауымдастықтардың геномдарын талдауға мүмкіндік береді;
• нутригеномика адамның гендері мен оның тамақтануы арасындағы өзара әрекеттесуді зерттейді;
• палеогеномика ондаған мың жыл бұрын өмір сүрген тірі ағзалардың қалдықтарынан ДНҚ қалпына келтіреді;
• геномдық медицина жеке адамның геномын талдау арқылы ең тиімді емдеу әдісін таңдауға мүмкіндік береді.

Генетиканың тарихы — дұрыс уақытта дұрыс адамның жасаған бір дәл бақылауы миллиондаған адамдардың тағдырын өзгерте алатын ғылымның басталуына қалай себеп болатыны туралы тарих. Мендельдің бұршағынан геномды редакциялауға дейінгі жол бір жарым ғасырға да жетпейтін уақытты қамтиды — тарихи өлшеммен алғанда өте қысқа кезең, бірақ ауқымы жағынан өнеркәсіптік немесе ақпараттық революциялармен тең өзгерістерді сыйдырған уақыт. Тұқым қуалаушылық механизмдерін түсіну адамзатқа бұрын фантастика болып көрінген мүмкіндіктерді ашты — сирек кездесетін ауруларды диагностикалаудан бастап құрғақшылыққа төзімді ауылшаруашылық дақылдарын жасауға дейін. Қазіргі генетика көтеріп отырған этикалық мәселелер де оның ғылыми жетістіктері сияқты ауқымды, және оларды шешу қоғамнан осы ғылымды жасауға мүмкіндік берген даналықтан кем емес даналықты талап етеді.