Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК
Открытие двойной спирали объяснило ключевую роль ДНК в процессе деления живой клетки на две новые, каждая из которых содержит копию родительской ДНК и обладает свойствами исходной клетки. Молекула ДНК построена из единиц, называемых нуклеотидами; каждый нуклеотид состоит из остатка сахара, соединенного через фосфатную группу (включает атом фосфора и четыре связанных с ним атома кислорода) с азотистым основанием. Азотистые основания в ДНК имеются двух типов: пуриновые (гуанин и аденин) и пиримидиновые (цитозин и тимин). Пуриновые основания одной цепи двойной спирали соединены водородными связями с противолежащими пиримидиновыми основаниями другой цепи, как ступеньки винтовой лестницы, перила которой образованы чередующимися сахарными остатками и фосфатными группами. В обеих цепях этой длинной молекулы ДНК пуриновые и пиримидиновые основания расположены не случайным образом, а в определенной последовательности, которая и содержит информацию о свойствах клетки.
Порядок расположения миллиардов нуклеотидов, соединенных в молекулы ДНК, и несет то, что называют тайной жизни, – генетический код. В конечном счете открытие Уотсона и Крика привело к формуле, которая сыграла в генетике ту же роль, что формула E = mc2 в физике: ДНК –> РНК –> белок. Ее Крик впоследствии назвал «центральной догмой молекулярной биологии».
На протяжении первой половины XX столетия в науке царили физики {9}. Они потрясли мир важными открытиями – атома, рентгеновского излучения и радиоактивности, фотоэлектрического эффекта, специальной и общей теории относительности, а тех, кто занимался количественными характеристиками подобных фундаментальных физических явлений, – еще и принципом неопределенности. Эти достижения радикально изменили представления о природе и придали науке такую роль в обществе, о которой в 1900-е гг. и помыслить было невозможно {10}.
Знаковым триумфом современной физики стала квантовая механика. Ее создали (и переработали, включив другие теории) датчанин Нильс Бор, австриец Эрвин Шрёдингер, немцы Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Вернер фон Гейзенберг, уроженец Будапешта Лео Силард и многие другие. Эти ученые стремились объяснить физический мир, проникнув в его структуру на недоступную человеческому глазу глубину: внутрь атома и его компонентов – электрона, нейтрона, протона, а также открытых позднее других субатомных частиц, в частности кварков и бозона Хиггса. Они предложили ряд головокружительных математических абстракций, чтобы объяснять и даже предсказывать явления, изучаемые естественными науками. Поэтому на весь мир прославились именно физики-теоретики, а не безымянные труженики, добывавшие экспериментальные данные, необходимые для доказательства их блестящих теорий {11}.
В годы Второй мировой войны физики стран-союзниц вместе с математиками, химиками и инженерами сконструировали радиолокатор, гидролокатор, реактивный двигатель, развили химию и производство пластиков и пластмасс, значительно развили электронику и использование электромагнетизма, взломали коды немецкой шифровальной машины «Энигма» с помощью совершенно новой технологии {12}. Наконец, американские физики, работавшие в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико), Окридже (штат Теннесси) и Хэнфорде (штат Вашингтон), разработали атомную бомбу. Увы, ее первое применение в военных целях было чудовищным: оно уничтожило японские города Хиросиму и Нагасаки.
Осознав ужасный результат своей работы, многие из этих ученых поклялись никогда больше не заниматься оружием. Фокус научных исследований сместился к изучению механизмов жизни на уровне молекул, из которых состоят кровь, мышцы, нейроны, прочие ткани, органы и клетки тела. По воспоминаниям Джеймса Уотсона, в научных кругах после Второй мировой войны единственным предметом всеобщего восхищения была физика. Революция в химии – следствие революции в физике. Революция в биологии, также берущая начало в физике, развернулась лишь после открытия структуры ДНК {13}.
В 1950 г. никто, включая сильнейшие научные умы планеты, не знал, как конкретно передается из поколения в поколение необходимая информация об организме и его признаках, иными словами – как работают гены. Где располагаются посредники в передаче информации: в цитоплазме клетки или в ее ядре? Как взаимодействуют эти две совершенно разные части клетки – цитоплазма и ядро? Существует ли генетический код и, если существует, как кодируется столь разнородная информация? Определяют ли деление клетки белки с их невероятно сложными молекулами, состоящими из соединенных в длинные цепочки аминокислотных остатков, из которых в принципе возможно создать практически бесконечное число комбинаций? Или главную роль играет малоизученная ДНК? Если верно последнее, то каким образом ДНК переносит сложную генетическую информацию, ведь она содержит лишь четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин)? Не слишком ли у нее бедный, примитивный химический язык, чтобы служить Розеттским камнем для разгадывания тайны жизни?
Пожалуй, самый наглядный пример непростого пути от физики к биологии – Эрвин Шрёдингер. Из его достижений наиболее известно уравнение, позволяющее рассчитать волновую функцию системы, а также мысленный эксперимент под названием «кот Шрёдингера» {14}, выразивший его растущее недовольство квантовой теорией. В 1933 г. он получил [6] Нобелевскую премию по физике за открытие новых продуктивных форм атомной энергии {15}. Шрёдингер вошел в анналы биологии в 1944 г., когда увидела свет его небольшая книга «Что такое жизнь с точки зрения физики» [7] (What Is Life?: The Physical Aspect of the Living Cell), основанная на цикле лекций, прочитанных им в 1943 г. в Тринити-колледже Дублина {16}. Никакая другая публикация не может сравниться с ней по колоссальному влиянию на понимание молекулярной биологии. И Джеймс Уотсон, и Фрэнсис Крик, и Морис Уилкинс отмечали, что книга Шрёдингера произвела на них ошеломляющее впечатление и оказала громадное влияние на их научное мировоззрение.
В этой книге описана работа американского биофизика немецкого происхождения Макса Дельбрюка и поставлены четыре ключевых вопроса: 1. Что такое ген? 2. Является ли ген наименьшей единицей передачи наследственной информации? 3. Из каких молекул и атомов состоят гены? 4. Как родительские признаки передаются потомству и далее из поколения в поколение? В качестве ответа Шрёдингер постулировал существование апериодического кристалла или твердого тела, гена или, может быть, целого хромосомного волокна, состоящего из молекул, повторяющихся или выстроенных в определенным образом организованную последовательность {17}. Далее он предположил, что в химических связях этих генов заключена генетическая информация, управляющая жизнью, болезнями и репродукцией. Эта направленность мысли убедила молодого Джеймса Уотсона (и многих других ученых), что принципиально важно установить точное взаимное расположение атомов, из которых состоит ген, – не только многочисленные химические связи, но и их конкретную пространственную организацию.
С 1947 г. Совет по медицинским исследованиям Великобритании выделял физическому факультету Королевского колледжа Лондонского университета 22 000 фунтов на биофизические эксперименты по изучению живых клеток, их компонентов и продуктов жизнедеятельности. Одной из задач, на которые предоставлялся этот грант, было определение структуры ДНК и ее роли в жизни клетки {18}. В Королевском колледже Лондонского университета было самое лучшее оборудование, лучшие образцы ДНК и сотрудники, способные решить эту задачу старым добрым научным подходом – путем постепенного накопления данных. К сожалению, их работе препятствовали непростые отношения двух главных исследователей: нервозного, надменного Мориса Уилкинса и злой на язык, придирчивой Розалинд Франклин. Любое их взаимодействие портила цепная реакция споров и раздоров из-за гендерных и культурных различий, стремления к доминированию и шаткой расстановки сил, что тормозило исследовательскую работу.
