Доказательства влияния на мутационный процесс физических, а затем и химических факторов (Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, 1925; Г. Дж. Мёллер, 1927; Л. Стедлер, 1928; В. В. Сахаров, 1932 и др.) окончательно опровергли автогенетические концепции генетиков, подчеркивавших самопроизвольный характер возникновения мутаций.
В 1928 г. академик Николай Константинович Кольцов (1872–1940) (рис. 64) предложил гипотезу молекулярного строения и матричной репродукции хромосом («наследственные молекулы»), предвосхитившую главнейшие принципиальные положения современной молекулярной биологии и генетики. Однако он ошибочно полагал, что носителями наследственной информации являются белки, а не нуклеиновые кислоты, функции которых были тогда неизвестны. Первое доказательство того, что носителями наследственной информации являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), было получено в 1944 г. в США О. Эйвери с соавторами в ходе изучения механизма клеточной трансформации. Суть этого явления состоит в появлении у трансформированной клетки и ее потомства новых признаков, полученных от другого объекта. В 1952 г. американские ученые Д. Ледербергер и Н. Диндер открыли явление трансдукции, переноса генетического материала из одной клетки в другую с помощью вируса, приводящего к изменению наследственных свойств клеток-реципиентов. Это окончательно подтвердило, что носителем наследственности является ДНК.
Рис. 64. Академик Николай Константинович Кольцов за работой.
Начало выяснению принципа кодирования генетической информации положили работы американского биохимика Эрвина Чаргаффа (1914–2004) и его сотрудников, опубликованные в 1949–1951 гг. Чаргафф открыл и сформулировал уникальные закономерности состава ДНК, вошедшие в науку под названием
Эти исследования легли в основу расшифровки строения ДНК. Используя данные Чаргаффа, сопоставляя разные сочетания молекулярных моделей отдельных мономеров и данные рентгеноструктурного анализа, американский биохимик Джеймс Дьюи Уотсон и английский физик Фрэнсис Харри Комптон Крик в 1953 г. пришли к выводу, что молекула ДНК должна быть двойной спиралью. Правила Чаргаффа резко ограничили число возможных упорядоченных сочетаний оснований в предлагаемой модели ДНК. Они подсказали Уотсону и Крику, что в молекуле ДНК должно быть специфическое (комплементарное) соединение соответствующих оснований — аденина с тимином, а гуанина с цитозином. Иными словами, аденину в одной цепи ДНК всегда строго соответствует тимин из другой цепи, а гуанину одной цепи обязательно соответствует цитозин другой. Тем самым Уотсон и Крик впервые сформулировали исключительной важности принцип комплементарного строения ДНК, согласно которому одна цепь ДНК дополняет другую, т. е. последовательность снований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой (комплементарной) цепи. Стало очевидно, что уже в самой структуре ДНК заложена потенциальная возможность ее точного воспроизведения. Также в 1953 г. английский биофизик Морис Уилкинс (1916–2004), изучая методом рентгеноструктурного анализа строение ДНК, подтвердил гипотезу о структуре ее молекулы. Эта модель строения ДНК в настоящее время является общепризнанной. За расшифровку структуры ДНК Крику, Уотсону и Уилкинсу в 1962 г. была присуждена Нобелевская премия.
В 1954 г. американский ученый русского происхождения Георгий Антонович Гамов (1904–1968) предложил модель триплетного генетического кода, т. е. такого кода, в котором каждую аминокислоту кодирует группа из трех нуклеотидов, названная кодоном. Разработка методов выделения ДНК из вирусов и бактерий позволила добиться синтеза ДНК in vitro на основе ДНК фага. В 1967 г. американский биохимик Артур Корнберг (1918–2007) открыл и выделил фермент ДНК-полимеразу, осуществляющий копирование молекул ДНК при делении клеток. Используя в качестве матрицы природную ДНК, он впервые синтезировал в пробирке активную ДНК, которая обладала такой же инфекционностью, как и исходная ДНК фага.