Открытие структуры ДНК (1953)

Молекула наследственности

К началу 1950-х годов биологи знали, что гены находятся в хромосомах и что наследственная информация связана с дезоксирибонуклеиновой кислотой. Освальд Эйвери в 1944 году показал, что ДНК способна передавать наследственные свойства бактериям, а в 1952 году Альфред Херши и Марта Чейз в опыте с бактериофагами убедили большинство ученых, что именно ДНК, а не белок, является генетическим материалом. Химики знали, что ДНК состоит из длинных цепей, в которые входят сахар дезоксирибоза, фосфатные группы и четыре азотистых основания - аденин, гуанин, цитозин и тимин. Но как эти элементы расположены в пространстве и как такая молекула может хранить и копировать информацию, оставалось загадкой.

Важную подсказку дал австрийско-американский биохимик Эрвин Чаргафф. В 1950 году он установил, что в ДНК любых организмов количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина - количеству цитозина. Смысл этих «правил Чаргаффа» был непонятен.

Рентгеновские лучи и молекулы

Главным инструментом изучения строения сложных молекул стала рентгеновская кристаллография. Когда рентгеновские лучи проходят через кристалл или упорядоченное волокно, они рассеиваются, оставляя на фотопленке узор из пятен. По этому узору, проведя сложные расчеты, можно восстановить расположение атомов. Метод разработали в 1910-х годах британские физики Уильям Генри Брэгг и его сын Лоуренс, получившие за это Нобелевскую премию. К 1950-м годам Лоуренс Брэгг руководил Кавендишской лабораторией в Кембридже, где Макс Перуц и Джон Кендрю пытались расшифровать структуру белков.

В 1951 году американский химик Лайнус Полинг, крупнейший специалист по химическим связям, открыл альфа-спираль - одну из основных структур белков, построив ее модель из шариков и стержней. Его успех показал, что правильно построенная модель, учитывающая законы химии, может угадать структуру молекулы. Полинг стал главным соперником британцев в гонке за структурой ДНК.

Два лагеря

В Кингс-колледже в Лондоне ДНК изучала группа биофизика Джона Рэндалла. Морис Уилкинс, физик из Новой Зеландии, участвовавший в годы войны в работах над атомной бомбой, получил первые четкие рентгеновские снимки волокон ДНК. В январе 1951 года в лабораторию пришла 30-летняя Розалинд Франклин - блестящий физико-химик, выпускница Кембриджа, освоившая рентгеновскую кристаллографию в Париже. Рэндалл, не объяснив четко распределение ролей, поручил ей работу с ДНК, и между Франклин и Уилкинсом, считавшим ее своей ассистенткой, сразу возник конфликт. Они почти не разговаривали друг с другом.

Франклин вместе с аспирантом Реймондом Гослингом установила, что ДНК существует в двух формах - сухой, кристаллической форме А и влажной форме В, - и стала получать снимки исключительного качества. В мае 1952 года они сделали знаменитый снимок формы В, известный как «Фотография 51», где отчетливо виден крестообразный узор, характерный для спирали. Франклин, однако, не спешила с выводами и сосредоточилась на более сложных расчетах для формы А.

В Кембридже тем временем подружились два очень разных человека. Джеймс Уотсон, 23-летний американский вундеркинд, поступивший в Чикагский университет в 15 лет и защитивший диссертацию по бактериофагам, приехал в Кавендишскую лабораторию осенью 1951 года, одержимый желанием разгадать структуру ДНК. Фрэнсис Крик, 35-летний британский физик, работавший в годы войны над морскими минами, а после войны переключившийся на биологию, все еще писал диссертацию о белках, но славился острым умом, громким смехом и привычкой вмешиваться в чужие проблемы. Им отвели общую комнату, и вскоре они проводили дни в разговорах о ДНК.

Первая неудача

В ноябре 1951 года Уотсон побывал на семинаре Франклин в Кингс-колледже, но, не будучи кристаллографом, неточно запомнил ее данные. На их основе Уотсон и Крик быстро построили модель - тройную спираль с фосфатными группами внутри. Пригласили посмотреть лондонских коллег. Франклин сразу указала на ошибки: фосфаты должны быть снаружи, а содержание воды в модели было неверным. Модель оказалась неправильной, и руководство двух лабораторий решило, что ДНК занимается Кингс-колледж. Брэгг запретил Уотсону и Крику продолжать работу над ней.

Ошибка Полинга

В январе 1953 года сын Лайнуса Полинга Питер, учившийся в Кембридже, показал Уотсону рукопись статьи отца с моделью ДНК. Полинг тоже предложил тройную спираль с фосфатами внутри - ошибку, которой не допустил бы ни один химик, знающий, что ДНК - кислота. Уотсон и Крик поняли, что у них есть несколько недель, прежде чем Полинг заметит ошибку. Брэгг, не желавший уступить американцу, разрешил им вернуться к ДНК.

30 января 1953 года Уотсон приехал в Кингс-колледж. Уилкинс, раздраженный отношениями с Франклин, которая готовилась уйти в другой колледж, показал ему «Фотографию 51» - без ведома Франклин. Уотсон, по его словам, был потрясен: крестообразный узор однозначно указывал на спираль. Вскоре Макс Перуц передал Крику отчет о работе группы Кингс-колледжа, подготовленный для комиссии Совета по медицинским исследованиям, где были приведены точные измерения Франклин. Крик, знавший кристаллографию, понял из ее данных, что две цепи ДНК должны идти в противоположных направлениях.

Пары оснований

Оставалось понять, как расположены основания внутри спирали. Уотсон вырезал их модели из картона и пытался сложить в пары. Сначала он соединял одинаковые основания - аденин с аденином, - но эти пары не подходили по размеру. Американский химик Джерри Донохью, сидевший в той же комнате, указал Уотсону, что учебники приводят неверную химическую форму оснований. Перерисовав их по совету Донохью, Уотсон утром 28 февраля 1953 года увидел, что пара аденин - тимин по форме и размерам совпадает с парой гуанин - цитозин, а удерживают их водородные связи. Это объясняло правила Чаргаффа: в каждой паре один аденин соответствует одному тимину, один гуанин - одному цитозину.

По рассказу Уотсона, в тот же день Крик объявил посетителям паба «Игл», где ученые обычно обедали, что они открыли тайну жизни. В начале марта в мастерской лаборатории изготовили металлические пластинки, и ученые собрали высокую модель двойной спирали, каждый атом которой соответствовал известным данным.

Двойная спираль

Модель выглядела так: две цепи из чередующихся сахаров и фосфатов закручены одна вокруг другой, образуя спиральную лестницу, а ступенями служат пары оснований, соединенные слабыми водородными связями. Цепи идут в противоположных направлениях и дополняют друг друга: последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность другой.

Главным в модели было то, что она сразу подсказывала механизм наследственности. Информация записана в последовательности оснований, как текст из четырех букв. При делении клетки цепи расходятся, и каждая служит шаблоном для построения новой, комплементарной цепи. Так получаются две одинаковые копии молекулы.

25 апреля 1953 года

25 апреля 1953 года журнал «Нейчер» опубликовал короткую статью Уотсона и Крика объемом около страницы под скромным названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот». В ней почти не было экспериментальных данных и лишь одна схема спирали, нарисованная женой Крика, художницей Одиль. Знаменитой стала сдержанная фраза в конце статьи: авторы заметили, что предложенное ими специфическое спаривание сразу наводит на мысль о возможном механизме копирования генетического материала. В том же номере журнала были напечатаны две статьи из Кингс-колледжа: Уилкинса с соавторами и Франклин с Гослингом, включавшая «Фотографию 51», - они представлялись как экспериментальное подтверждение модели. 30 мая в «Нейчер» вышла вторая статья Уотсона и Крика о генетических следствиях открытия.

Поначалу открытие не вызвало сенсации в широкой прессе, но в научном мире сразу стало понятно его значение.

Судьба Розалинд Франклин

Весной 1953 года Франклин перешла в Биркбек-колледж в Лондоне, где вместе с молодым ученым Аароном Клугом добилась выдающихся результатов в изучении структуры вирусов, в том числе вируса табачной мозаики. Она так и не узнала, что ее снимок без ее ведома показали Уотсону. Франклин умерла от рака яичников 16 апреля 1958 года в возрасте 37 лет; возможно, болезнь была связана с работой с рентгеновским излучением.

В 1962 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие структуры нуклеиновых кислот получили Уотсон, Крик и Уилкинс. Нобелевская премия не присуждается посмертно, и одну премию могут разделить не более трех человек. Аарон Клуг в 1982 году получил Нобелевскую премию по химии за работы, начатые вместе с Франклин.

В 1968 году вышла книга Уотсона «Двойная спираль» - живой, откровенный и эгоцентричный рассказ об открытии, ставший бестселлером. В ней Франклин изображалась в карикатурном виде - колючей, неприветливой «Рози», мешавшей прогрессу. Книга вызвала возмущение коллег, а в 1975 году подруга Франклин Энн Сэйр опубликовала биографию, восстанавливавшую ее роль. Со временем Розалинд Франклин стала символом недооцененного вклада женщин в науку.

Эпоха генетики

Открытие двойной спирали положило начало молекулярной биологии. В 1958 году Мэтью Мезельсон и Франклин Сталь экспериментально подтвердили, что ДНК копируется именно так, как предсказывали Уотсон и Крик. В том же году Крик сформулировал «центральную догму» молекулярной биологии: информация передается от ДНК к РНК и от РНК к белку. В 1961-1966 годах ученые расшифровали генетический код - соответствие между тройками оснований и аминокислотами. В 1970-х годах появились генная инженерия и методы чтения последовательности ДНК, а в 1990-2003 годах международный проект «Геном человека» прочитал почти всю последовательность человеческой ДНК.

В Советском Союзе, где генетика была разгромлена Трофимом Лысенко, открытие поначалу почти не обсуждалось открыто, и советская молекулярная биология начала догонять мировую лишь с середины 1960-х годов.

Крик в дальнейшем занимался генетическим кодом, а затем нейробиологией и проблемой сознания; он умер в 2004 году. Уотсон стал директором лаборатории в Колд-Спринг-Харборе и одним из инициаторов проекта «Геном человека», но в 2007 году и позднее его высказывания о расовых различиях в интеллекте вызвали скандал, и лаборатория лишила его почетных званий.

Итоги

• Модель двойной спирали ДНК, предложенная Уотсоном и Криком на основе данных Франклин и Уилкинса, объяснила, как наследственная информация хранится в последовательности оснований и копируется при делении клеток.
• Открытие стало рождением молекулярной биологии и привело к расшифровке генетического кода, генной инженерии, биотехнологиям и прочтению генома человека.
• Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию 1962 года; вклад Розалинд Франклин, без чьих снимков и измерений открытие было бы невозможно, был признан лишь со временем.
• Двойная спираль стала одним из самых узнаваемых символов науки XX века.