«Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК»

В феврале 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик с помощью данных, собранных Розалинд Франклин, установили структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это открытие определило наши представления о том, как живые организмы хранят и передают наследственную информацию. В книге «Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Натальей Колпаковой, историк медицины Ховард Маркел рассказывает о непростом пути к научному прорыву, который ознаменовал революцию в биологии. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, в котором Крик и Уотсон независимо от Франклин пытаются определить молекулярную структуру ДНК.

***

Энн Сейр события, предшествовавшие открытию структуры ДНК, состязанием не только личностей, но и двух разных подходов к определению молекулярной структуры. Франклин предпочитала анализ дифракционных рентгенограмм, который требовал большой и трудной работы и занимал много времени. Уотсон и Крик следовали путем построения моделей, впервые успешно примененным Полингом и предполагавшим множество индуктивных умозаключений, что в принципе рискованно.

С одной стороны, в случае относительно простых органических соединений, например пенициллина, дифракционные картины получаются четкие и определить местоположение составляющих молекулу атомов гораздо легче, чем в случае сложных полимерных молекул, рентгенограммы которых, как правило, менее резкие, рефлексы размытые, положение атомов менее упорядочено. По  Дороти Ходжкин, дифракционные эффекты на фибриллярных структурах, таких как волос или ДНК, более ограниченны, и применить к ним прямые методы определения структуры невозможно. Розалинд Франклин столкнулась с колоссальными трудностями при использовании данных рентгеновской кристаллографии для расшифровки структуры ДНК. Но Джон Рэндалл и взял ее в свою группу для решения именно этой задачи.

С другой стороны, построить модель молекулы несопоставимо сложнее, чем модель автомобиля или самолета. Детали конструктора неизвестны, инструкция не прилагается, сама реальная конструкция невидима для человеческого глаза. Нужно установить углы и длины связей, симметрию, масштаб и, наконец, соответственно всему этому разместить атомы. Притом, чтобы доказать адекватность модели, нужно получить данные опять-таки рентгеновской кристаллографии. Как отметила Энн Сейр, если о веществе ничего не известно, построить модель просто невозможно; если известно слишком мало, то любая модель будет неопределенной, неоднозначной и полноценно проверить ее не получится.

Какой же метод выбрать? С научной точки зрения надежнее применить оба подхода: сначала собрать данные (множество дифракционных картин), проанализировать их с помощью математических методов и потом построить пространственную модель структуры. Франклин не пугала такая монотонная, трудоемкая и долгая работа, чего нельзя сказать об Уотсоне и Крике. Как Дороти Ходжкин, Франклин слишком связала себя тем, что полагала необходимым в первую очередь собрать точные данные о ДНК, а уже на их основании строить модель: «Для нее было естественно отложить моделирование до тех пор, пока не будет завершен сбор данных и пока она не извлечет из них всю возможную информацию, что сузило бы выбор моделей». Если бы Ходжкин вовремя дала Франклин совет, то, вероятно, сказала бы — более чем за год до того, как Уотсон и Крик открыли двойную спираль, — что информации о геометрии азотистых оснований, сахарных остатков и фосфатных групп достаточно для того, чтобы построить модель.

***

Не имея доступа к данным Франклин, Уотсон и Крик стали штурмовать собственные баррикады. Первая проблема заключалась в том, что в Кавендишской лаборатории не был нужного количества качественных металлических деталей — «атомов» и «связей» — для моделирования. В относительно недавнем прошлом любая серьезная химическая и физическая лаборатория имела хорошо оборудованную мастерскую с целым штатом стеклодувов, слесарей, инструментальщиков и других умельцев, которые изготавливали приборы, придуманные учеными для своих экспериментов. Года за полтора до описываемых событий Кендрю занялся моделированием полипептидных цепей, и с тех пор осталось множество «атомов» углерода, азота и водорода и комбинаций из них, которые входят в состав аминокислот, но того, что, помимо этого, нужно для моделирования ДНК, а именно «атомов» фосфора и деталей, изображающих азотистые основания, не было. На создание недостающих элементов конструктора могли уйти недели, а Уотсон и Крик терять времени.

Поэтому утром в понедельник Уотсон стал наматывать медную проволоку на шарики, имитирующие атомы углерода, превращая их таким образом в более крупные «атомы» фосфора. Затем он попытался как-то изобразить неорганические ионы, которые, как он считал, могут присоединяться к ДНК, но мало преуспел, потому что не имел ясного представления об углах связей с ними. Вскоре он забросил это, придя к выводу, аналогичному тому, что Франклин выразила своим докладом, а именно: прежде чем строить модели ДНК, нужно знать, как она устроена.

В бездействии Уотсон ждал прихода Крика с надеждой, что тот чудесным образом предъявит решение проблемы. Наконец в начале одиннадцатого явился Фрэнсис и признался, что тоже в тупике. В воскресенье он почти и не занимался их задачей, а целый день читал «Хорошее место в раю» (A Perch in Paradise) — ныне совершенно забытое повествование об амурных похождениях кембриджских преподавателей. Ум Крика был занят только вопросом о том, с кого из его многочисленных друзей, знакомых и коллег списаны герои романа.

За кофе они рассмотрели несколько возможных конфигураций молекулы ДНК, поиграли с детальками, сделанными Уотсоном, и обдумали данные, которые Уотсон вроде бы припомнил (на самом деле неверно) из выступления Франклин. Уотсон все надеялся, что решение вдруг явится само собой, словно озарение, стоит лишь сосредоточиться на том, какую самую красивую форму могла бы принять полинуклеотидная цепь.

Не найдя удовлетворительных ответов и проголодавшись, они пошли перекусить, как обычно, в Eagle. Крик молча думал. Логично было бы позвонить Франклин, пригласить ее на чай и предложить объединиться. До сих пор они почти с ней не контактировали и на основании только того, что знали от Уилкинса, представляли ее нетерпимой и надменной. Несмотря на внушительный профессиональный опыт Розалинд, эти двое предпочитали видеть в ней незваную гостью в истинно мужском мире физики. Крик откровенно : «Боюсь, мы всегда относились к ней высокомерно».

Принимаясь за еду, Фрэнсис решил: как только они вернутся в лабораторию, возьмутся за моделирование всерьез. Прежде всего следовало определиться, сколько полинуклеотидных цепей содержит спиральная структура — одну, две, три или четыре. На тот момент они предположили, что цепей три и они связаны солевыми мостиками, в которых двухвалентные катионы, например магния (Mg²⁺), удерживают вместе две или более фосфатные группы. Крик считал, что скреплять сахаро-фосфатный остов молекулы могут ионы кальция. Это было чистейшей фантазией: ни Франклин, ни Уилкинс или Алек Стоукс никогда не говорили о двухвалентных катионах в ДНК. Уотсон признал, что, выбрав этот вариант, они дали маху. А ведь уже было известно, что солевые мостики в ДНК могут образовывать ионы натрия. Поглощая крыжовенный пирог, Уотсон и Крик высказали надежду, что ионы магния или кальция придают сахаро-фосфатному остову красивую, а значит, неоспоримую конфигурацию.

Трехцепочечное чудовище Уотсона и Крика выглядело как угодно, только не красиво. В их модели три цепи переплетались с регулярностью 27 Å. Не слишком привлекательная конструкция из металлических шариков и проволоки неловко держалась на штативе, позаимствованном в соседней лаборатории. Многие соседние атомы располагались слишком близко друг к другу, чтобы удовлетворять химическим соображениям. Хотя авторы модели понимали, что она выглядит сомнительно, они закрывали глаза на то, что все дальше уходят по неверному пути.

Сделав перерыв на обед в доме Крика, они рассказали Одиль, чем занимаются. Та страшно обрадовалась, полагая, что их открытие принесет какие-то деньги на опустошенный счет мужа в банке и они смогут купить новую машину или переехать в дом побольше. Вообще-то Уотсон считал, что обсуждать с супругой Крика какие-либо научные темы — пустая трата времени, потому что при ее монастырском воспитании она имела своеобразные представления о мире: например, она утверждала, что сила тяготения перестает действовать в трех милях над земной поверхностью.

На следующее утро Уотсон и Крик еще немного повозились со своей моделью, удовлетворившись тем, что она соответствует тому, что Уотсон вынес из выступления Франклин. Теперь-то легко видеть, что их модель была безнадежно неполной и неверной. Но, как справедливо Крик, на переднем рубеже науки исследователь всегда «в тумане».

К счастью, у нас есть не только документированные мысли Франклин о ДНК от 21 ноября 1951 года, но и первое описание того, над чем трудились Крик и Уотсон в последнюю неделю того же месяца. Авторучкой с широким пером Крик написал восемнадцать страниц, авторами которых указал: «Крик и Уотсон» (потом зафиксировался иной порядок — «Уотсон и Крик»). Строчки так и скачут, словно темно-синим чернилам не терпелось излиться из пера бурным потоком идей. Крик , что исходя из результатов сотрудников Королевского колледжа Лондона, доложенных на коллоквиуме 21 ноября 1951 года, они попытались найти некие общие принципы, на которых может основываться структура ДНК, используя минимум экспериментальных данных.

26 ноября Крик, закончив последнюю страницу, поправил в металлической модели ДНК кое-что по своему усмотрению, после чего взялся за телефон и попросил оператора Кавендишской лаборатории соединить его с Морисом Уилкинсом в Лондоне. Он с уверенностью заявил Уилкинсу, что они с Уотсоном смоделировали ДНК, и, не дожидаясь ответа, предложил ему как можно быстрее приехать в Кембридж. Позднее в тот же день к ним в кабинет зашел Джон Кендрю и дипломатично поинтересовался, как Уилкинс воспринял новости. Крик, поглощенный потенциальным открытием, понятия об этом не имел и объявил: «Уилкинса вроде бы не занимает, что мы тут делаем». Сейчас в это невозможно поверить. Уилкинсу было довольно трудно мириться с тем, что Франклин ведет исследование, пересекающееся с его работой, в его же собственной лаборатории. Его не могла не бесить перспектива быть обойденным кем-то из Кембриджа. Скорее всего, новости из Кавендишской лаборатории привели его в крайнее раздражение.

Нелепо думать, будто Уилкинса не интересовало моделирование ДНК. Он занимался собственной моделью тройной спирали одновременно с Уотсоном и Криком. На следующий день после доклада Франклин австралийский физик Брюс Фрейзер, один из самых молодых в команде Королевского колледжа, заглянул в кабинет Уилкинса, таинственно улыбаясь, и попросил Уилкинса зайти в его лабораторию за соседней дверью. Фрейзер и его руководитель, биофизик Уильям Прайс, анализировали ДНК методом инфракрасной спектроскопии. Об этом эпизоде Уилкинс в своих мемуарах: «Взаимодействие группы Прайса и нашей было еще одним прекрасным примером духа сотрудничества в лаборатории».

Жестом скульптора, срывающего покров со своего последнего творения, Фрейзер продемонстрировал Уилкинсу модель ДНК из трех скрученных в спираль цепей, удерживаемых вместе водородными связями между плоскими азотистыми основаниями, располагавшимися друг над другом стопкой в середине спирали. Фрейзер построил эту модель на основании данных, которые представила Франклин, и общего направления мыслей в лаборатории. Кроме того, Фрейзер (как и Уилкинс) позаимствовал кое-что из работы Джона Галланда, выполненной в Ноттингемском университете, в которой было показано, как цепи ДНК соединяются друг с другом водородными связями между азотистыми основаниями, а также у норвежского физика Свена Фурберга. В 1949 году Фурберг в своей диссертации, сделанной под руководством Дж. Бернала в Беркбек — колледже Лондонского университета, предложил одноцепочечную структуру ДНК, которую назвал зигзагообразной, а несколько позже писал о спиральной конфигурации нуклеиновых кислот; впоследствии , что одноцепочечная ДНК нестабильна. Фурберг важный факт: плоскости азотистых оснований почти перпендикулярны плоскости, в которой лежит большинство атомов сахарных остатков.

В молекулярной модели Фрейзера был ряд структурных проблем, в первую очередь — трехцепочечность молекулы. В этой модели три цепи находились на равном расстоянии друг от друга, что не соответствовало ни дифракционным картинам, ни соотношению пуринов и пиримидинов 1:1, установленному биохимиком Эрвином Чаргаффом из Колумбийского университета в Нью-Йорке. В итоге Фрейзер и Уилкинс оказались в тупике.

Будучи враждебно настроенным к Франклин, Уилкинс приписывал ей неприятие спиральной структуры и предположение о трехцепочечности ДНК. В действительности же Розалинд в материалах к своему докладу и в отчете о проделанной работе «2, 3 или 4 коаксиальные полинуклеотидные цепи в спиральной структуре». В конечном счете Уилкинсу пришлось согласиться с Франклин, настаивавшей на том, что нет никакого смысла строить новые модели, пока не появится больше данных, чтобы на них опираться. Однако он продолжал обвинять ее в том, что она сбила его с верного пути: «Утверждение, что цепей три, совершенно не давало нам двигаться вперед. Нашей главной ошибкой было то, что мы придавали слишком большое значение экспериментальным данным».

Подробнее читайте:
Маркел, Х. Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК / Ховард Маркел ; Пер. с англ. [Натальи Колпаковой] — М. : Альпина нон-фикшн, 2024. — 622 с.