Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК

Gareth Williams

UNRAVELLING THE DOUBLE HELIX

The Lost Heroes of DNA

© Gareth Williams 2019

© Иллюстрации. Ray Loadman

© Оформление, перевод на русский язык. ООО «Издательство АСТ», 2022

С любовью и благодарностью

Каролине, Тиму, Джо и Тессе

За то, что терпели меня, пока я занимался еще одной книгой

Дороти Стрэнжвэйс

За то, что подала мне идею за чаем на Хартингтон Гров

Гордону «Доку» Райту

За то, что помог мне удержаться на плаву в Кембридже в 1971–1974 годах

Мы все стоим на плечах друг друга.

Наука, которая не решается забыть своих основателей, погибла.

Хронология

1833 Роберт Броун описывает ядра в клетках орхидей.

1866 Грегор Мендель публикует «Опыты над растительными гибридами».

1868 Фридрих Мишер открывает нуклеин (ДНК) в клетках гноя.

1878 Альбрехт Коссель выделяет «дрожжевой нуклеин» (впоследствии было показано, что это РНК).

1880 Вальтер Флемминг описывает нуклеиновые нити, образующиеся из хроматина во время деления клетки (митоза) у саламандр.

1882 Флемминг выдвигает гипотезу об идентичности хроматина и нуклеина.

1885 Коссель выделяет два основания – гуанин и аденин – из нуклеина тимуса (зобной железы), а позднее – тимин (1893 год), цитозин (1894 год) и урацил (1900 год).

1888 Вильгельм Вальдейер переименовывает нити Флемминга в «хромосомы».

1889 Рихард Альтманн переименовывает нуклеин в «нуклеиновую кислоту».

1900 Труды Менделя заново открываются Карлом Корренсом, Хуго де Фризом и Эрихом фон Чермаком.

1903 Уолтер Саттон формулирует «хромосомную теорию наследственности».

1904 Уильям Бэтсон начинает отстаивать принципы Менделя и вводит термин «генетика».

1909 Вильгельм Иогансен вводит термины «ген», «генотип» и «фенотип».

Феб Левен идентифицирует сахар в дрожжевой нуклеиновой кислоте (РНК) как рибозу.

1912 Левен выдвигает предположение, что нуклеиновые кислоты представляют собой маленькие «тетрануклеотиды», содержащие по одному все четыре основания.

Макс фон Лауэ делает первый рентгеновский снимок кристалла.

1914 Лоренс Брэгг формулирует закон Брэгга о рентгеновской кристаллографии; совместно со своим отцом Уильямом разрабатывает «новую кристаллографию».

1915 Томас Хант Морган публикует книгу «Механизм менделевской наследственности», описывающую мутации у дрозофил.

1927 Фред Гриффит демонстрирует, что мертвые бактерии-пневмококки могут трансформировать (изменять генетически) живые пневмококки при их инъекции в живых мышей.

1928 Левен и Коссель заявляют, что гены состоят из белка, а не из нуклеиновой кислоты.

1929 Левен идентифицирует сахар в тимусной нуклеиновой кислоте (ДНК) как дезоксирибозу.

Мартин Доусон из лаборатории Освальда Эвери в Рокфеллеровском университете подтвердил данные Гриффита о трансформации пневмококков, также на живых мышах.

1931 Доусон и Ричард Сиа получают трансформацию в искусственных условиях (in vitro).

1932 Лионель Эллоуэй в лаборатории Эвери выделяет «трансформирующее начало», ответственное за трансформации, но не может описать его с химической точки зрения.

1937 Торбьёрн Касперссон выводит, что молекулы ДНК представляют собой очень длинные тонкие цилиндры и что они гораздо больше, чем один «тетрануклеид».

1938 Флоренс Белл делает рентгеновские снимки ДНК; вместе с Биллом Астбери она высказывает предположение, что основания в молекуле ДНК уложены друг на друга «как стопка монет».

1940 Колин Маклауд из лаборатории Эвери выявляет ДНК в «трансформирующем начале», но не идет дальше этого наблюдения.

1941 Альфред Мирски выделяет «хромозин» (ДНК со связанным белком) из клеточных ядер.

1942 Маклин Маккарти и Эвери демонстрируют, что «трансформирующее начало» состоит из ДНК с очень небольшим содержанием контаминирующего белка.

1944 Эрвин Шрёдингер в своей книге «Что такое жизнь?» выдвигает предположение, что гены представляют собой «апериодические кристаллы».

Эвери, Маклауд и Маккарти публикуют свою эпохальную работу, демонстрирующую, что ДНК является «трансформирующим началом» и генетическим материалом в пневмококках.

Мирски настаивает, что белок, а не ДНК, лежит в основе трансформации и является генетическим материалом.

1947 Роллин Хотчкисс демонстрирует, что ДНК содержит неравные количества четырех оснований, таким образом исключив возможность гипотетического тетрануклеотида.

Андре Буавен доказывает, что ДНК трансформирует также другие бактерии (E. coli).

Мэссон Гулланд выдвигает предположение, что молекула ДНК удерживается благодаря водородным связям между основаниями.

Аспирант Гулланда Майкл Крит выдвигает гипотезу о том, что ДНК состоит из двух прямых нитей ДНК, соединенных водородными связями между основаниями в противоположных нитях.

1948 Эрвин Чаргафф сообщает о том, что количества аденина и тимина равны друг другу, так же как равны друг другу количества цитозина и гуанина, в разных источниках ДНК.

Лайнус Полинг открывает альфа-спираль, которая играет главную роль в формировании молекул белка.

1949 Свен Ферберг определил, что основания лежат перпендикулярно к остову ДНК, и выдвинул гипотезу об однонитевой спиральной структуре ДНК.

1950 Рэй Гослинг из Королевского колледжа делает рентгеновский снимок, на котором видна правильная «кристаллическая» форма ДНК (А-форма).

1951 Январь: Розалинд Франклин устраивается в Отделение биофизики Королевского колледжа, чтобы работать над рентгеновским анализом структуры ДНК.

Май: Уилкинс демонстрирует кристаллическую структуру ДНК на встрече в Неаполе и вдохновляет Джима Уотсона разобраться в ее строении.

Элвин Бейтон из Лидса делает рентгеновский снимок, на котором видны спиральные характеристики ДНК (B-форма). Снимок игнорируется.

Июль: Уилкинс демонстрирует структуры ДНК на заседании в Кембридже, и Франклин советует ему прекратить работать над ДНК.

Алек Стокс из Королевского колледжа прогнозирует рентгенограмму спиральной молекулы.

Октябрь: Джим Уотсон начинает работать с Фрэнсисом Криком в Кавендишской лаборатории в Кембридже и убеждает его заняться поисками структуры ДНК.

Ноябрь: Уилкинс встречается с Уотсоном и Криком и говорит им, что наиболее вероятная структура содержит три спиральные нити ДНК.

Уотсон посещает коллоквиум в Королевском колледже, где Уилкинс и Франклин представляют свою работу по ДНК.

Брюс Фрейзер из Королевского колледжа создает модель ДНК, содержащую три спиральные нити, которую Уилкинс отвергает.

Декабрь: используя данные Королевского колледжа, Крик и Уотсон создают трехнитевую модель ДНК, которая в корне неверна; Уилкинс прекращает сотрудничество с ними.

1952 Январь: Франклин и Гослинг описывают A-форму и B-форму ДНК.

Апрель: Джон Гриффит в Кембридже вычисляет, что за счет водородных связей аденин будет притягиваться к тимину, а цитозин – к гуанину.

Май: Гослинг делает Фотографию 51, на которой видны спиральные характеристики ДНК (B-форма).

Июль: Франклин решает, что «кристаллическая» ДНК (A-форма) не может быть спиралью, так что Уилкинс начинает сомневаться в спиральной природе ДНК в целом.

Декабрь: Полинг предлагает модель ДНК с тремя спиральными нитями, которая также в корне неверна.

1953 Февраль: Уотсон приезжает в Королевский колледж; Уилкинс показывает ему Фотографию 51, на которой Уотсон видит диагностические признаки спиральной структуры.

Март: Франклин оставляет Королевский колледж, чтобы заняться изучением структуры вирусов в Колледже Биркбек, Лондон.

Уотсон понимает, что попарное соединение оснований на противоположных нитях – это ключ к структуре ДНК. Используя данные Франклин без ее ведома, он вместе с Криком создают двойную спираль.

Апрель: в журнале Nature выходят три работы по двойной спирали – Уотсона и Крика; Уилкинса et al.; и Франклин и Гослинга.

Июль: Уотсон и Крик публикуют в журнале Nature продолжение своей работы, где говорится о самоудвоении ДНК.

1958 16 апреля: Розалинд Франклин умирает от рака яичника в возрасте 38 лет.

1962 Уотсон, Крик и Уилкинс разделяют Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

1968 Уотсон публикует «Двойную спираль» (The Double Helix).

2001 Независимый научный суд снимает с Грегора Менделя обвинение в фальсификации своих данных.

Кто есть кто

Астбери, Уильям (Билл) (1898–1961)

Английский кристаллограф, который был заворожен «материями природы» и молекулярной структурой волокон и ввел термин «молекулярная биология». Его группа исследователей на кафедре биомолекулярной структуры Лидского университета делала ранние снимки ДНК (см. абзац об Элвине Бейтоне). Астбери полагал, что ДНК играет роль непосредственного шаблона для синтеза белка и что ее структура слишком проста, чтобы быть носителем генетической информации.

Эвери, Освальд Т. (1877–1955)

Бактериолог, биохимик и эксперт по пневмококкам – бактериям, которые вызывают долевую пневмонию. Руководил группой исследователей в Рокфеллеровском институте медицинских исследований, Нью-Йорк, которая доказала, что ДНК является «трансформирующим агентом», который может изменять генетические характеристики пневмококков в лабораторных условиях. Видный ученый, не получивший Нобелевскую премию.

Бейтон, Элвин (1919–2007)

Один из аспирантов Билла Астбери, вообще-то занимавшийся жгутиками бактерий. В мае 1951 года сделал рентгеновский снимок влажных волокон ДНК (B299), на котором виден тот же X-образный рисунок спиральной молекулы, что и на знаменитой Фотографии 51 Рэя Гослинга, сделанной годом позже. B299 никогда не публиковался и не демонстрировался.

Бернал, Джон Десмонд (1901–1971)

Прозван «Мудрецом» за то, что он, как казалось, знает все. Харизматичный человек энциклопедических знаний, о котором невозможно рассказать в нескольких строках. Питал страсть к рентгеновской кристаллографии, женщинам, неразорвавшимся бомбам, искусству и всему, связанному с Советским Союзом. Возглавлял кафедру кристаллографии в Колледже Биркбек, Лондон, где Розалинд Франклин занималась структурой вирусов, оставив свои исследования ДНК в Королевском колледже в начале 1953 года.

Брэгг, сэр Лоренс, член Королевского общества (1890–1971)

Самый молодой в истории лауреат Нобелевской премии (в возрасте 25 лет) в области естественных наук, которую получил вместе со своим отцом в 1916 году. Сформулировал Закон Брэгга, являющийся одним из основных принципов рентгеновской кристаллографии. Профессор физики и директор Кавендишской лаборатории в Кембридже с 1938 по 1954 год. В его исследовательскую группу входил Отдел Совета по медицинским исследованиям по изучению молекулярной структуры биологических систем, возглавляемый Максом Перуцем, который привлек Фрэнсиса Крика (1949 год) и Джеймса Уотсона (1951 год).

Брэгг, сэр Уильям, член Королевского общества (1862–1942)

Один из отцов рентгеновской кристаллографии. Вместе со своим сыном Лоренсом получил Нобелевскую премию по физике в 1916 году за расшифровку структуры многих солей и минералов. Когда он занимал пост президента Королевского института в Лондоне в 1930-е, у него учились рентгеновской кристаллографии Билл Астбери и Дж. Д. Бернал.

Чаргафф, Эрвин (1905–2002)

Американский биохимик украинского происхождения и эрудит, критически относящийся к ситуации в научной среде и мире в целом. Исследуя строение ДНК из различных источников, он заметил, что количество аденина равно количеству тимина, а количество цитозина – количеству гуанина («правило Чаргаффа»). Он весьма скептически относился к вкладу Уотсона и Крика и полагал, что его собственное открытие заслуживало Нобелевской премии.

Крит, Майкл (1924–2010)

Один из аспирантов Мэссона Гулланда из Ноттингема, чьи исследования физических и химических свойств ДНК обеспечили доказательства того, что молекула удерживается за счет водородных связей между основаниями. Крит высказал предположение в своей неопубликованной диссертации (1947 год), что ДНК представляет собой двунитевую молекулу, которая удерживается за счет водородных связей между основаниями из противоположных нитей.

Крик, Фрэнсис (1916–2004)

«Высокий, красивый и чрезвычайно английский» физик, биохимик и, в конечном счете, нейроученый. Будучи спасен от «невообразимо скучного» исследовательского проекта бомбой Люфтваффе, он устроился в Кавендишскую лабораторию в Кембридже, которая занималась изучением структуры белков. Там он встретил Джима Уотсона, который разжег в нем интерес к расшифровке структуры ДНК. Их работа по двойной спирали была опубликована в журнале Nature в 1953 году, до того, как Крик защитил свою диссертацию.

Флемминг, Вальтер (1843–1905)

Немецкий микроскопист и профессор анатомии в Кильском университете, который распознал движения хромосом во время деления клетки (которое он назвал митозом) в тканях огненной саламандры. Ввел термин «хроматин» для обозначения ярко окрашенного вещества в хромосомах и предположил, что это вещество идентично нуклеину, о котором говорил Фридрих Мишер.

Франклин, Розалинд (1920–1958)

Английский специалист по рентгеновской кристаллографии, которая при жизни была наиболее известна своими исследованиями по структуре угля и вирусов. Работая под руководством Джона Рэндалла в Отделении биофизики Королевского колледжа в Лондоне, она выявила A-форму и B-форму ДНК; ее аспирант Рэй Гослинг сделал знаменитую Фотографию 51, на которой просматривается спиральная структура B-формы. Франклин сгенерировала большую часть данных, использовавшихся Уотсоном и Криком для получения двойной спирали, и на нее смотрели как на бывшую «в двух полушагах» от того, чтобы самой расшифровать структуру.

Ферберг, Свен (1920–1983)

Шведский биохимик, изучавший рентгеновскую кристаллографию для защиты диссертации у Дж. Д. Бернала. Выявил способы соединения оснований с сахаром, дезоксирибозой и в своей неопубликованной диссертации (1949 год) выдвинул предположение о том, что ДНК является спиральной однонитевой молекулой.

Гослинг, Рэй (1926–2015)

Будучи аспирантом в Королевском колледже, работал как с Морисом Уилкинсом, так и с Розалинд Франклин. Сделал два классических рентгеновских снимка ДНК: «кристаллическое» изображение, которое вызвало у Уотсона желание разгадать структуру ДНК, и фотографию 51, подтвердившую спиральную природу молекулы. Впоследствии работал с Франклин над определением A-формы (кристаллической) и B-формы (спиральной) ДНК.

Гриффит, Фред (1879–1941)

Склонный к уединению английский бактериолог, работавший в государственной лаборатории в Лондоне; ненавидел научные конференции и редко публиковался. В 1928 году описал «трансформацию» пневмококков – первую передачу генетического материала между живыми организмами, полученную в лаборатории. Эвери впоследствии показал, что ДНК является ответственным за это «трансформирующим началом».

Гулланд, Мэссон (1898–1947)

Шотландский биохимик, целью всей жизни которого было вернуться в Эдинбург профессором биохимии. Его научные интересы простирались от нуклеиновых кислот до использования шотландских водорослей для изготовления водонепроницаемой одежды. Занимая пост профессора биохимии в Шеффилде, руководил исследованием, которое показало, что молекула ДНК удерживается за счет водородных связей между основаниями.

Коссель, Альбрехт (1853–1927)

Немецкий биохимик и человек принципа, который посвятил свою карьеру поиску структурных элементов («кирпичиков») больших биологически значимых молекул, в том числе нуклеиновых кислот. Получил Нобелевскую премию по химии (1910 год), преимущественно за свои работы по белкам, связанных с ДНК в ядре. В своей основной книге (опубликованной посмертно) о компонентах ядра он сделал вывод, что ДНК играет меньшую роль, чем белки, чем помог подорвать интерес к ее роли в наследственности.

Левен, Феб (1869–1940)

Родившийся в России американский биохимик, работавший в Рокфеллеровском университете с 1915 года до дня своей смерти. Плодовитый исследователь, не оставивший без внимания ни одного раздела биохимии. Проделал основополагающую работу по компонентам ДНК и написал оказавшую значительное влияние книгу «Нуклеиновые кислоты» (1928 год). Пришел к убеждению, что ДНК состоит из повторяющихся элементов, содержащих по одному из четырех оснований. Эта «тетрануклеотидная гипотеза» подразумевала, что структура ДНК является слишком примитивной, чтобы быть носителем генетической информации, – это убеждение более 30 лет тормозило исследования ДНК.

Маклауд, Колин (1909–1972)

Родившийся в Канаде физик и бактериолог, работавший вместе с Освальдом Эвери в Рокфеллеровском университете (1939–1941 годы) над «трансформирующим началом», которое могло изменить генетические характеристики пневмококков. Обнаружил, что трансформирующее начало содержит дезоксирибозу – сахар, характерный для ДНК, – но ему не удалось развить эту идею. Выступал в качестве соавтора Эвери в работе (1944 год), демонстрировавшей, что трансформирующим началом являлось ДНК и что, следовательно, именно ДНК являлось генетическим материалом у пневмококков.

Маккарти, Маклин (1911–2005)

Американский физик, биохимик и бактериолог, устроившийся вслед за Маклаудом в лабораторию Эвери в Рокфеллеровском университете. Провел ключевые эксперименты, доказавшие, что ДНК являлось трансформирующим началом, а следовательно – генетическим материалом в пневмококках; третий автор эпохальной работы Эвери 1944 года. Многие считали его «ученым для ученых».

Мендель, Грегор (1822–1884)

Монах и впоследствии настоятель Августинского аббатства святого Томаша в Старе Брно, Австрийская империя (теперь – город Брно в Чешской Республике). Отличался широким кругом исследовательских интересов, особенно в области метеорологии и растениеводства. В своей книге «Опыты над растительными гибридами» (1866 год) сформулировал основные законы наследственности на основании семи лет наблюдений за садовым горошком. Работа Менделя оставалась незамеченной до 1900 года, когда она была заново открыта практически одновременно тремя учеными-ботаниками; в разгоревшемся впоследствии ожесточенном споре высказывались обвинения, что Мендель сфальсифицировал свои результаты.

Мишер, Фридрих (1844–1895)

Швейцарский доктор, вынужденно ставший биохимиком, поскольку глухота помешала ему заниматься врачебной практикой. В 1868 году обнаружил неизвестное ранее соединение в лейкоцитах, полученных из гнойных повязок. Мишер продемонстрировал, что соединение было кислотным, с большим содержанием фосфора и поступало из ядер клеток – поэтому он назвал его «нуклеин» (от лат. nucleus – «ядро»), но утверждал, что эта субстанция не играет никакой роли в наследственности. Нуклеин был впоследствии переименован в «тимонуклеиновую кислоту», а затем – в «дезоксирибонуклеиновую кислоту» (ДНК).

Мирски, Альфред (1900–1974)

Американский биохимик и эксперт мирового уровня по нуклеиновым кислотам. Выделил «хромозин» из клеточных ядер как белые волокна, которые могли накручиваться на стержень, как сахарная вата, и показал, что хромозин состоит из ДНК и связанного с ней белка. Мирски был убежден, что гены могут состоять только из белка, и всего себя посвятил нападкам на доказательства Эвери и других, что генетическим материалом является ДНК.

Морган, Томас Хант (1866–1945)

Американский зоолог и генетик, первоначально скептически относившийся к результатам Менделя и роли хромосом, но впоследствии изменивший свое мнение после собственных экспериментов по наследованию мутаций у плодовой мушки – дрозофилы. Руководил исследованиями в «Мушиной комнате» Колумбийского университета в Нью-Йорке; выступал одним из соавторов книги «Механизм менделевской наследственности» (1915 год) и стал первым лауреатом Нобелевской премии по генетике (1933 год).

Полинг, Лайнус (1901–1994)

Американский химик, борец за мир, эрудит и публичный человек, о котором было сказано: «Его имя будут помнить до тех пор, пока будет существовать наука химия». Написал приобретшую популярность книгу «Природа химической связи» (1939 год) и описал альфа-спираль, которая определяет форму белков; кроме того, выдвинул, к сожалению, ошибочную гипотезу о структуре ДНК (1952 год). Получил Нобелевскую премию по химии (1954 год) и Нобелевскую премию мира (1962 год).

Рэндалл, Джон (1905–1984)

Английский физик и ведущий изобретатель резонансного магнетрона – революционного элемента радара, который сыграл решающую роль в победе в воздушных и морских сражениях во время Второй мировой войны. Основал (1946 год) и возглавил отделение биофизики в Королевском колледже, Лондон, где Морис Уилкинс (в прошлом – его аспирант) и Розалинд Франклин независимо друг от друга занимались структурой ДНК. Стиль руководства Рэндалла описывали как «наполеоновский» в соответствии с принципом «Разделяй и властвуй», что препятствовало сотрудничеству Уилкинса и Франклин.

Саттон, Уолтер (1877–1916)

Американский хирург, защитивший диссертацию по теме деления клетки у кузнечиков, пока не забросил генетические исследования ради клинической практики. Сформулировал «хромосомную теорию наследственности», согласно которой выявленные Менделем «факторы» наследственности находятся в хромосомах.

Вавилов, Николай Иванович (1887–1943)

Русский ботаник и генетик, который считается по всему миру одним из величайших русских ученых. Прославился своей работой по генетике пшеницы и попытками увеличить ее урожаи, руководствуясь принципами Менделя. Пал жертвой Трофима Лысенко, третьесортного исследователя и первоклассного политикана, презиравшего менделизм и классическую генетику. В 1940 году Вавилов был арестован во время экспедиции по сбору растений; его судьба стала известна лишь после войны.

Уотсон, Джеймс Д. (Джим) (родился в 1928 году)

Вундеркинд, обладавший энциклопедическими знаниями в сфере орнитологии; поступил в университет в 15 лет и получил докторскую степень в 23 года. Книга Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?» вдохновила его понять суть гена, а речь Мориса Уилкинса о кристаллической природе ДНК – разобраться в структуре ДНК. Устроившись на работу в Кавендишскую лабораторию в Кембридже в 1951 году, убедил Фрэнсиса Крика сосредоточиться на расшифровке структуры ДНК. Уотсон обнаружил ключевые связи, соединяющие основания двух нитей ДНК, что непосредственно указывало на структуру двойной спирали. Стал лауреатом Нобелевской премии (1962 год) совместно с Криком и Уилкинсом и написал вызывающую вопросы книгу «Двойная спираль» (1968 год).

Уилкинс, Морис (1916–2004)

Английский физик, ровесник Фрэнсиса Крика. После войны работал над экранами радиолокаторов (в качестве аспиранта Джона Рэндалла) и атомной бомбой, стал заместителем Рэндалла в Отделении биофизики в Королевском колледже. Изучал ДНК как волокна и в головках сперматозоидов, используя оптические методы и рентгеновскую дифракцию. Описание Уилкинсом кристаллической структуры ДНК заинтриговало Джима Уотсона и вдохновило его расшифровать структуру этой молекулы. Уилкинс стал лауреатом Нобелевской премии (1962 год) совместно с Уотсоном и Криком. Но были ли правы издатели его автобиографии, снабдив ее подзаголовком «Третий человек двойной спирали»?