На дворе 1869 год, молодой исследователь трудится в лаборатории в старом замке в Германии, чтобы сделать замечательное открытие. Лаборатория изучает состав клеток, а Фридрих Мишер анализирует относительно простые лейкоциты, которые извлекает из гноя в использованных повязках местной клиники. Исчерпав свои усилия по классификации белков клетки, Мишер переключает внимание на другое вещество, которое продолжает появляться в его образцах. Он находит кислоту, содержащую фосфор, что кажется ему довольно странным, и заявляет об открытии совершенно нового типа вещества. Был обнаружен нуклеин, или ДНК, как мы теперь его называем. Как и любой хороший ученый-скептик, учитель Мишера химик и физиолог Феликс Хоппе-Зейлер насторожен и ждет повтора эксперимента, прежде чем (два года спустя) разрешить публикацию научной статьи. Но эта задержка в пару лет окажется незначительной: ученым понадобилось еще много десятилетий, чтобы осознать важность ДНК. Фридрих Мишер обнаружил ДНК во множестве клеток, но даже он не мог поверить, что только одно вещество порождает огромное разнообразие жизни. Гонка за пониманием открытия ДНК продолжалась. Еще в 1940-х годах большинство ученых считали, что белки (большие биологические молекулы, которые бывают всех форм и размеров) были единственными веществами, но достаточно сложными, чтобы являться фактором наследственности. Хромосомы, спирали ДНК и белка, содержащие гены, были впервые обнаружены в клетках в начале 1840-х годов. Позже в том же столетии исследователи увидели, что их количество удвоилось, а затем снова распалось на отдельные «дочерние» клетки во время деления. В 1865 году австрийский монах и биолог-ботаник Грегор Мендель использовал растения гороха для изучения теорий генетической наследственности, предположив, что характеристики наследуются в дискретных единицах. Его исследование пересмотрели в начале 1900-х годов, и в результате ряда работ было установлено, что эти единицы или гены должны находиться в хромосомах. Но из чего они были состоят (ДНК или белок) и как они выглядят? Немецкий врач и биохимик по имени Альбрехт Коссель сделал некоторые из первых шагов к выяснению этого факта. Работая под руководством Хоппе-Зейлера в конце 1800-х годов, он открыл «основания» ДНК (химическую противоположность кислот) и назвал их тимином (T), аденином (A), цитозином (C) и гуанином (G). Эту работу продолжил биохимик Фебус Левин, который в начале 1890-х годов перебрался в Нью-Йорк из Санкт-Петербурга. В течение трех десятилетий Левин изучал структуру ДНК, определяя другие ее компоненты: дезоксирибозу и фосфатные группы. Он также обнаружил, что ДНК состоит из единиц, которые он назвал нуклеотидами. Каждый из них состоит из сахара, фосфатной группы и основания, и они связаны между фосфатными группами одного нуклеотида и сахаром следующего, образуя так называемую основу. Но этим правильные выводы Левина и ограничились. Он думал, что каждая молекула ДНК содержит только четыре нуклеотида, по одному с основанием каждого типа, связанных вместе в кольцо, которое называется тетрануклеотид. Тетрануклеотиды Левина были слишком просты, чтобы нести генетический код, и таким образом укрепляли идею о том, что белки должны быть наследственным агентом. Чтобы раскрыть сложность ДНК, потребуется более пристальное изучение. Пока Фебус Левин разгадывал секреты ДНК в Нью-Йорке, через Атлантику от него отец и сын разрабатывали методику, которая окажется ключом к определению структуры ДНК. Физик из Лидского университета Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоренс Брэгг (исследователь Кавендишской лаборатории в Кембридже) заложили основы рентгеновской кристаллографии в период с 1912 по 1914 годы. Они были вдохновлены работой немецкого физика Макса фон Лауэ, который в 1912 году обнаружил, что рентгеновские лучи изгибаются, когда проходят через кристаллы (вещества с высокоупорядоченной структурой). Младший Брэгг предположил, что, поскольку они упорядочили структуры атомов, прохождение рентгеновских лучей сквозь кристаллы может кое-что рассказать об их структуре. Его более практичный отец построил первый рентгеновский спектрометр — устройство для излучения узкого пучка рентгеновских лучей на вещества. Вместе они проверили теорию на кристаллах соли. В этих экспериментах за кристаллом помещалась фотографическая пластинка, на которой рассеянные рентгеновские лучи создавали характерный узор. Уильям Лоренс Брэгг придумал уравнение, известное как закон Брэгга, которое позволяло им работать в обратном направлении от паттернов, чтобы вывести структуру кристалла. Отец и сын получили Нобелевскую премию в 1915 году. Одну из первых групп, применивших эту технику к биологическим молекулам, возглавил физик и молекулярный биолог Уильям Эстбери, начавший работать в Университете Лидса в 1928 году, обучаясь у Уильяма Генри Брэгга в Королевском институте. В 1937 году шведский исследователь Торбьерн Касперссон прислал Эстбери образцы ДНК теленка. Несколькими годами ранее Касперссон показал, что ДНК представляет собой полимер (длинную цепь нуклеотидов, а не короткую, как предполагал Левин). В том же году аспирантка Эстбери Флоренс Белл сделала первые из сотен рентгеновских снимков ДНК. Тот факт, что она произвела какой-либо снимок, предполагал, что ДНК имеет «разрешимую» структуру. Снимки Эстбери и Белл выглядят как мазки по сравнению с четкими изображениями, которые биофизик Розалинд Франклин создала в начале 1950-х годов. Но они действительно выявили один важный факт: расстояние между основаниями в молекуле ДНК. В 1938 году Эстбери использовал изображения, чтобы предложить структуру ДНК, в которой основания уложены друг на друга, но изображения не были достаточно подробными, чтобы он мог продвинуться дальше. Гонка за структурой ДНК Тем временем, вернувшись в США, медицинский исследователь по имени Освальд Эвери был занят доработкой эксперимента 1928 года, проведенного британским микробиологом по имени Фред Гриффит. Он показал, что можно сделать безвредные бактерии и их потомство опасными, смешав их с вирулентными бактериями (предположив, что что-то передастся от вирулентных бактерий к безвредным). Эвери и его коллеги сознательно создали условия, в которых могла передаваться только ДНК, а не белок. Таким образом они определили, что только ДНК может передавать характеристики. Многие отказывались верить в это, но ДНК явно считалась носителем наследственности, и у науки были инструменты, чтобы выяснить, как она выглядит. Все было готово для гонки по поиску структуры ДНК в 1950-х годах. Только не все знали, что это гонка. Исследования ДНК должны были извлечь выгоду из послевоенного настроения в науке, поскольку многие физики, работавшие на войне, обратили свое внимание на более легкие биологические проблемы. Среди них был физик и молекулярный биолог Морис Уилкинс, который работал как над радиолокатором, так и над Манхэттенским проектом по созданию атомной бомбы. К середине 1950 года Уилкинс был помощником директора нового биофизического подразделения Королевского колледжа Лондона. В сыром подвале под Темзой Уилкинс и аспирант Рэймонд Гослинг создавали гораздо более четкие рентгеновские снимки ДНК, чем это удавалось Уильяму Эстбери. Розалинд Франклин была приглашена для участия в исследовании ДНК в 1951 году благодаря своим важным навыкам кристаллографии после того, как она сделала себе имя в Париже на рентгеновском изучении структуры угля, углерода и графита. Но недопонимание с Уилкинсом по поводу ее роли в исследовании вызвало раскол, который, возможно, стоил им научной гонки. Одним из самых больших открытий, сделанных Франклин за время работы в Королевском колледже, стало выявление вместе с Гослингом двух форм ДНК: дегидратированной (плотно утрамбованной формы «А») и гидратированной (более длинной формы «В»), которые давали разные рентгенограммы. Размытые изображения Эстбери, должно быть, были комбинацией того и другого. Группа ученых совместно с Розалинд Франклин полагала, что структура появится в результате тщательной рентгенографии. Но в Кавендишской лаборатории в Кембридже пара исследователей Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик высказали другие идеи. Фото 51: ключ к разгадке Уотсон, 20-летний американский исследователь, защитивший докторскую диссертацию в необычайно молодом возрасте, и Крик, который был постарше и с репутацией остроумного человека, мало что сделали в экспериментах с ДНК. Вместо этого они решили построить физические модели, чтобы выяснить, как известные компоненты ДНК могут сочетаться друг с другом. Большая часть их экспериментальных знаний пришла из семинаров и неформальных бесед с Уилкинсом, с которым они были в дружеских отношениях. В конце 1951 года Уотсон и Крик пригласили команду Королевского колледжа посмотреть их последнюю модель, которую они считали структурой. Согласно воспоминаниям Уотсона о выступлении Франклин, модель состояла из трех цепей ДНК с сахарно-фосфатным остовом внутри и основаниями снаружи. Франклин сразу поняла, что это неправильно — содержание воды в ДНК означало, что основание должно находиться снаружи. Смущенный Уильям Генри Брэгг запретил собираться и заниматься ДНК. В мае 1952 года Франклин сделала фото 51 — потрясающе четкое изображение B-формы ДНК. Придерживаясь предыдущего соглашения с Уилкинсом о сосредоточении внимания на форме А, она отложила его в сторону. К январю 1953 года Франклин решила покинуть колледж и поступить в Биркбек колледж и начала делиться своей работой с Морисом Уилкинсом (ученый долгое время считал, что ДНК представляет собой спираль). Он показал изображение Уотсону, который позже написал: «В тот момент, когда я увидел изображение, мой рот открылся, и мой пульс начал учащаться». На фотографии 51 Уотсон увидел ту самую спираль. Он вернулся в Кембридж воодушевленный. В феврале 1953 года гигант молекулярной биологии, химик и кристаллограф Лайнус Полинг, разбирающийся в структуре белков, предложил свою собственную структуру. Но, учитывая только более ранние данные Эстбери, он ошибся (предположил, что ДНК состоит из трех цепей). Уотсон и Крик, беспокоясь о том, что Британия проиграет гонку, и увидев шанс для себя, вернулись к построению своих моделей. Они знали, как далеко друг от друга находятся основания, что основа ДНК располагается за пределами молекулы, что общая структура представляет собой спираль и что она, вероятно, состоит из двух цепей. Они также увидели больше данных Франклин на этот раз через отчет биофизическому комитету Совета по медицинским исследованиям, который финансировал обе группы. Из этого Крик смог сделать вывод, что цепи в молекуле ДНК выглядят одинаково в перевернутом виде и, следовательно, должны идти в противоположных направлениях. Последней частью головоломки был эксперимент 1949 года биохимика Эрвина Чаргаффа, посетившего группу Кавендишской лаборатории в 1952 году. Он определил, что количество аденина соответствует количеству тимина, а количество цитозина соответствует гуанину. Уотсон и Крик поняли, что аденин всегда должен связываться с тимином, а цитозин с гуанином, создавая лестничную спираль с парными основаниями, образующими ступеньки, и сахарно-фосфатным основанием по сторонам. Модель сошлась, ученые пошли на обед в ближайший паб и заявили, что они нашли смысл жизни. Когда команда Королевского колледжа приехала на этот раз, они сразу же приняли новую модель. «Мгновенное принятие Рози нашей модели сначала поразило меня, — писал позже Уотсон. — Тем не менее… она приняла тот факт, что структура была слишком красивой, чтобы быть правдой». Структура Фрэнсис Крика и Джеймса Уотсона была опубликована в журнале Nature в апреле 1953 года вместе с двумя статьями из Королевского колледжа. Ни один из них не раскрыл роль, которую сыграли данные из колледжа. А Франклин умерла в 1958 году, возможно, так и не узнав об этом. Уотсон, Крик и Уилкинс разделили Нобелевскую премию в 1962 году. Уотсон и Крик написали в своей статье 1953 года: «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что определенное сочетание, которое мы постулировали, сразу же предполагает возможный механизм копирования генетического материала». После 1953 года исследователи узнали, как ДНК копирует себя и как ее цепочки A, T, C, G служат шаблоном для создания белков. Кстати, совсем недавно анализ генома человека позволил ученым заглянуть в тонкости того, как ДНК управляет жизнью. По материалам статьи «How we unravelled the structure of DNA» Science Focus