ИСТОРИЯ МЕДИЦИНЫ

"Мы разгадали тайну жизни!": как была открыта двойная спираль ДНК

К 1950-м годам ученые не сомневались, что черты живых организмов в основном предопределены до рождения и передаются по наследству. У ребенка есть глаза, потому что глаза были у его родителей, не случаен и цвет глаз, как и склонность к близорукости. Чего исследователи не могли понять, так это где хранится вся эта информация. Долгое время считалось, что носитель — белки с их сложной структурой, в которой мерещилось все многообразие жизни. Но к середине 1940-х главной подозреваемой стала ДНК, огромная — у человека она длиной около метра — молекула, обнаруженная почти во всех типах клеток.

ДНК была открыта еще в 1869 году швейцарцем Иоганном Фридрихом Мишером, но тот не придал находке большого значения: его интересовало строение белых кровяных телец.

Когда в октябре 1951 года Уотсон начал работать с Фрэнсисом Криком в одном кабинете в Кембриджском университете, о ДНК было известно, что она состоит из четырех повторяющихся кирпичиков-оснований с сахаром и остатком фосфорной кислоты, причем аденина в ней столько же, сколько тимина, а гуанина — как цитозина. Но каким образом связаны эти составляющие, ученые понятия не имели.

Только предполагалось, что ДНК напоминала спираль, точнее, винт, но двойной ли, тройной или какой-нибудь другой, как в нем располагались основания, как эта структура могла хранить и воспроизводить наследственную информацию, если вообще могла, — все это оставалось загадкой. Познакомившись, Уотсон и Крик быстро поняли, что хотят вместе ее разгадать.

Кроме Уотсона и Крика структуру ДНК пытались выяснить еще две группы ученых. В Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, постоянно ругаясь, всматривались в рентгеновские снимки кристаллизованных молекул, а в Калифорнийском технологическом институте над загадкой жизни бился знаменитый химик Лайнус Полинг, который до этого первым определил строение компонентов белков.

Кроме Уотсона и Крика структуру ДНК пытались выяснить еще две группы ученых. В Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, постоянно ругаясь, всматривались в рентгеновские снимки кристаллизованных молекул, а в Калифорнийском технологическом институте над загадкой жизни бился знаменитый химик Лайнус Полинг, который до этого первым определил строение компонентов белков.

За исследования химических связей в 1954 году ему дадут Нобелевскую премию. На его фоне Крик и Уотсон выглядели случайными прохожими: первый был по образованию физиком и только за четыре года до того переключился на биологию, а второму исполнилось всего 23 года. Правда, к тому времени у Уотсона уже была докторская степень.

Первая модель ДНК, разработанная Уотсоном и Криком, состояла из трех цепочек с фосфатными остовами в середине. Когда модель показали Франклин, та подняла коллег на смех: она была уверена, что остатки фосфорной кислоты должны располагаться с внешней стороны молекулы, а не в центре. Начальник Уотсона и Крика — Лоуренс Брэгг — так разозлился из-за этой неудачи, что запретил им дальше заниматься ДНК.

Еще не все пропало

Однако спустя год Брэгг поменял свое решение. В его лаборатории работал сын Лайнуса Полинга, который рассказал, что отец создал свою модель ДНК. В Брэгге взыграло самолюбие.

Они с Полингом были крупнейшими в мире специалистами в своей области, но американец первым определил строение и больших неорганических молекул, и белковой альфа-спирали. Брэгг был — и остается до сих пор — самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике, которую ему и его отцу вручили еще в 1915 году. Но с конца 1920-х он вечно оставался позади Полинга.

Через месяц в Кембридже раздобыли еще не опубликованную статью Полинга с описанием модели. Ко всеобщему удивлению, ДНК в ней представала тройной спиралью с фосфатными остовами в центре, как за год до того предлагали Крик и Уотсон. В автобиографии Уотсон вспоминал: "Пока Френсис поражался новаторскому подходу Полинга к химии, я начал дышать спокойнее. К этому моменту я знал, что мы все еще в игре".

По рассказам Уотсона, он приезжал в Лондон, чтобы обсудить статью Полинга с Франклин, но та не разделила его энтузиазм и сказала, что молекула ДНК не может быть спиральной. Возможно, Уотсон приврал: в лабораторном журнале Франклин сохранились более ранние записи о том, что одна из двух форм ДНК может представлять собой именно спираль. Со слов Уотсона, этот случай стал последней каплей для работавшего с Франклин Мориса Уилкинса. Ее упрямство так надоело, что он в сердцах достал из ящика рентгеновский снимок ДНК и показал его Уотсону. У того отпала челюсть.

Морис Уилкинс © AP Photo/Anthony Camerano

Квадратная пластинка размером всего несколько сантиметров вошла в историю как "Фотография 51". Чтобы сделать этот кадр, Франклин положила вытянутый в нить и кристаллизованный образец человеческой ДНК в специальную камеру, где рентгеновские лучи больше 60 часов отскакивали от него на пленку, формируя изображение — полосатый крест. Для Уотсона этот крест стал очевидным доказательством того, что ДНК состоит из двух закрученных цепочек. Франклин же этого не разглядела.

Красота — в простоте

Теперь ученые были уверены в спиралевидной форме молекулы. Но им еще нужно было объяснить, как в ДНК связаны кирпичики-основания с двух разных цепочек, — черные пятна на "Фотографии 51". Для этого Уотсон по-разному переставлял структурные формулы этих кирпичиков, но результата не было. Пока американский химик Джерри Донохью не показал ему свежую статью, где были описаны немного другие формулы кирпичиков ДНК.

Несколько дней Уотсон и Крик обдумывали новую модель, а 21 февраля 1953-го — ровно 65 лет назад — Уотсон догадался, что аденин из одной цепочки соединяется только с тимином из другой, а цитозин — с гуанином. В таком случае молекула ДНК напоминает равномерно закрученную лестницу с краями из сахара, остатка фосфорной кислоты и с параллельными ступенями одинаковой длины. Эти сочетания объяснили, почему в любой молекуле ДНК содержится одинаковое количество аденина с тимином и цитозина с гуанином. Наконец, если у каждого кирпичика есть только одна пара, то молекула может разделиться пополам и образовать две копии с той же генетической информацией. Ученых поразило, какой простой и красивой оказалась разгадка.

"Мы разгадали тайну жизни!", — ставшую знаменитой фразу Фрэнсис Крик произнес в своем любимом баре в Кембридже, где они с Уотсоном праздновали открытие. Впрочем, до всеобщего признания было еще далеко.

Новая загадка жизни

Первым делом выкладки показали Уилкинсу и Франклин. Те два дня сопоставляли их с рентгеновскими снимками и не нашли противоречий. В марте черновик статьи с описанием модели послали Полингу. Он похвалил коллег, но не понял, почему они отбросили гипотезу о тройной спирали. Для Полинга все встало на свои места, только когда он приехал в Кембридж и увидел фотографии Франклин.

Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс © AP Photo

В апреле статья Крика и Уотсона вышла в журнале Nature. В 1962 году Уотсону, Крику и Уилкинсу присудили Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году и осталась без награды. В последующие десятилетия другие ученые создали трехмерные компьютерные модели, расшифровали ДНК человека и других видов, а в последние годы научились редактировать записанные в ДНК гены. Возникла новая загадка — что станет с жизнью, если теперь ее программирует человек.

Марат Кузаев.