Каждый мономер в единичной цепи ДНК состоит из двух частей: сахара — дезоксирибозы, — с прикрепленной к нему фосфатной группой и азотистого основания — аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) или тимина (T). Эти мономеры связаны в длинную линейную последовательность, которая кодирует генетическую информацию точно так же, как последовательность единиц и нулей кодирует информацию в компьютерном файле.

Каждое сахарное звено связано со следующим через фосфатную группу, благодаря чему образуется полимерная цепь, состоящая из цепочки повторяющихся сахаро-фосфатных звеньев с выступающими из нее основаниями. Полимер ДНК наращивается путем присоединения мономеров к одному из концов. В живой клетке действует следующее ограничение: ДНК синтезируется не в виде свободной обособленной цепи, но на матрице, которой служит уже существующая нить ДНК.

Основания, расположенные на существующей нити, связываются с основаниями синтезируемой нити согласно строгому правилу, определяемому комплементарной, то есть взаимодополняемой, структурой оснований: А связывается с T, а C связывается с G. Такое спаривание оснований удерживает новый мономер в соответствующем месте и обеспечивает правильный выбор следующего, одного из четырех, мономера, который должен быть добавлен к растущей цепи. Так создается двухцепочечная структура, состоящая из двух в точности взаимодополняющих друг друга последовательностей нуклеотидов: А, С, T и G. Обе нити закручиваются одна вокруг другой и образуют всем известную двойную спираль.

Если растянуть всю ДНК, содержащую гены, ее длина составит два метра, но она упакована так плотно, что умещается в ядре одной клетки.

По сравнению со связями в сахаро-фосфатных мостиках, связи между парами оснований слабы, и это позволяет двум нитям ДНК расходиться без разрыва их основных цепей. Каждая нить после этого может служить матрицей для синтеза новой цепи ДНК, комплементарной своей матрице, то есть новой копии наследственной информации.

В клетках разных типов этот процесс — репликации ДНК — происходит с разной скоростью, с использованием разных средств управления, необходимых для его запуска и остановки. Но основы процесса универсальны: ДНК — хранилище информации, а матричная полимеризация — способ, которым эта информация копируется во всем живом мире. Репликация ДНК — ключевое событие в ходе деления клетки.

Мы можем взять часть ДНК из клетки человека и вставить ее в бактерию или, наоборот, взять часть бактериальной ДНК и вставить ее в клетку человека, – и в обоих случаях информация будет успешно читаться, интерпретироваться и копироваться. С помощью химических методов ученые могут прочитать полную последовательность мономеров в любой молекуле ДНК — вплоть до миллионов нуклеотидов — и таким образом расшифровать наследственную информацию, которую содержит любой организм.