50-летие двойной спирали

В то пасмурное субботнее утро весьма возбужденный Фрэнсис Крик вошел в боковую дверь пивной «Орел» в Кембридже. Питейное заведение сохранилось с XVI в. Когда-то под его низкими сводами с темными потолочными брусами харчевали лондонские кучера, доставлявшие юных аристократов в их университетскую альма-матер, чтобы они поднабрались ума. Во время войны тут получали свою пинту эля военные летчики, участвовавшие сначала в битве за Англию, а потом совершавшие бомбовые рейды на Германию. Увидев юного Джеймса Уотсона, передвигавшего по поверхности стола картонные модели бензольных и имидазольных колец азотистых оснований нуклеотидов, Крик во всеуслышание заявил, что им удалось раскрыть тайну жизни. Молодой американец был смущен всеобщим вниманием, вызванным столь откровенным заявлением его английского друга, и назвал его столь самоуверенное утверждение нескромным. Тем не менее в течение всего субботнего завтрака Крик не переставал говорить всем вновь прибывающим из расположенной «на расстоянии вытянутой руки» Кавендишской лаборатории, где всего лишь за 20 лет до этого работал П.Л.Капица, что им удалось раскрыть главный секрет жизни. Ему мало кто верил. Однако 25 апреля 1953 г. журнал «Nature» опубликовал небольшую (всего лишь 900 слов) статью, вернее, письмо редактору, в которой была приведена графическая картинка (сделанная женой Крика Оливией), изображавшая двойную спираль ДНК. Тогда еще никто не мог себе представить, что всего лишь через 9 лет для вручения Нобелевской премии по физиологии и медицине Уотсона и Крика вызовут в Стокгольм. Многие в то время были этим весьма удивлены (сейчас удивляет это удивление, простите за каламбур).

Чисто химическое начало

Открытие ДНК – классический пример из разряда преждевременных, т. е. тех, которые не могут быть реализованы на практике сразу путем простейших логических шагов. Это происходит в силу технической неподготовленности существующих «косных» технологий (так, электрохимия долгое время попросту была никому не нужна!) или отсутствия самой логики исследований, что мы видим на примере все той же ДНК.
Открытие «нуклеина» произошло практически одновременно со статистическим анализом результатов опытов по гибридизации сортов гороха Грегором Менделем. Сделал это Фридрих Мишер (1874), швейцарец, который изучал химию в Германии. Сейчас трудно себе представить, что первую Нобелевскую премию за исследования нуклеиновых кислот дали немецкому биохимику Альбрехту Косселю уже в далеком 1910 г. Он изучал подагру и установил, что болезнь вызывается отложением азотистых оснований в суставах, т. е. нарушением обмена нуклеиновых кислот.
Учеником Косселя был наш соотечественник Фебус Теодор Левен (1869–1940), проведший свое детство в Петербурге, где окончил классическую гимназию, после чего в 17-летнем возрасте поступил в Медико-хирургическую академию Петербурга, где курс химии ему преподавал А.П.Бородин.
Левен уехал в 1891 г. в Нью-Йорк, но для защиты диссертации вернулся ненадолго в Петербург (русский диплом ценился тогда намного выше). Деньги на жизнь приходилось зарабатывать врачебной практикой, но химия все же влекла его, поэтому Левен поступает на горный факультет Колумбийского университета в Нью-Йорке, после окончания которого занимает пост руководителя лаборатории физиологической химии главного госпиталя этого города. После стажировки в г. Берн у Косселя Левен возглавляет биохимический отдел Рокфеллеровского института, где сначала выделяет моносахарид D-рибозу в 1909 г., а через 20 лет – дезоксирибозу.
В 1932 г. выходит в свет очередной том Большой медицинской энциклопедии под редакцией Н.А.Семашко. В статье, посвященной нуклеиновым кислотам, В.А.Энгельгардт, будущий основатель и бессменный директор Института молекулярной биологии АН СССР, приводит цепочечную модель нуклеотидов, предложенную Левеном. Кто же знал, что до истинной структуры «молекулы жизни» был всего лишь один шаг!

Статья тройки

Наш выдающийся биолог и генетик Н.К.Кольцов еще в 1927 г. предложил матричный синтез – построение копии гигантских биомолекул на «молекуле-матрице». Правда, способ этот распространялся тогда только на белки. Помните энгельсовское определение жизни как способа существования белковых тел? И ген до самого конца 1950-х гг. предполагался только белковым (протеиновым). Ну не могли представить себе биохимики, что все разнообразие жизни базируется только на каких-то четырех основаниях, или «буквах», ген-кода! Вот оно, отсутствие истинной сути научного знания (хотя был пример азбуки Морзе, в которой используются для передачи самых разнообразных сообщений комбинации всего лишь двух элементов – точки и тире).
В том же 1927 г. на Генетическом конгрессе в Берлине Герман Мёллер доложил коллегам об использовании рентгеновских лучей для резкого повышения частоты мутаций у мух дрозофил (в 100 раз!). У нас в стране тоже проводились подобные опыты, поэтому годом ранее Кольцов направил в Берлин своего лучшего ученика Н.В.Тимофеева-Ресовского к супругам Оскару и Цецилии Фохт, которых интересовала генетика нервных заболеваний. При своей клинике они имели еще и генетическую лабораторию, среди сотрудников которой был физик-рентгенолог Карл Циммер, привлекший к сотрудничеству физика-теоретика Макса Дельбрюка, хорошо знавшего Н.Бора, Л.Д.Ландау, Г.А.Гамова и Э.Ферми.
После почти 10 лет исследований Тимофеев-Ресовский, Циммер и Дельбрюк публикуют работу, позже получившую название «статья тройки», в которой был дан расчет части физического объема, поражаемой действием квантов рентгеновского излучения при «трансмутации гена» (до второй мировой войны генетики использовали именно этот термин).
Оказалось, что этот объем ограничен кубом, на стороне которого укладывается всего лишь 10 атомов, что значительно меньше размеров молекул белков, которые, как уже говорилось, прочили на роль гена.
На статью тройки обратили внимание как минимум три человека. Первым был У.Уивер, руководитель Рокфеллеровского фонда, среди получателей грантов которого был У.Л.Брэгг, сын У.Г.Брэгга-старшего и зачинатель рентгеновского структурного анализа биологических макромолекул в Кавендишской лаборатории. Именно в лаборатории Брэгга Дороти Кроуфут-Ходжкин под руководством Джона Бернала расшифровала структуру витамина В₁₂ (кобаламина). Там же сам Бернал провел анализ пищеварительного фермента пепсина, а затем М.Перутц и Дж.Кендрю начали изучение гемоглобина и миоглобина (Перутц и Кендрю получили Нобелевскую премию по химии в 1962 г. одновременно с Уотсоном и Криком).
Уивер предоставил грант и Дельбрюку, в результате чего тот оказался в США.
Вторым был австрийский физик-теоретик Э.Шредингер, основатель волновой механики, рассказы которого внимательно слушал в 1926 г. в Мюнхене молодой Л.Полинг, опубликовавший затем в 1939 г. свою книгу «Природа химической связи» (с этой книгой под мышкой Уотсон постоянно ходил потом по Кембриджу).
Шредингер после аншлюса Австрии оказался в Ирландии, где начал читать в 1943 г. курс лекций, положенных затем в основу его книги «Что такое жизнь? С точки зрения физика» (книга была переведена и издана у нас в 1948 г.). Крик потом писал, что все, кто так или иначе интересовался вопросами молекулярной биологии, не расставались с книгой Шредингера. Уотсон даже поклялся себе после ее прочтения раскрыть секрет гена.
Оказался в конце концов во Франции, а затем в США и Гамов. Когда его однажды не выпустили из нашей страны на очередной международный конгресс, доклад за Гамова читал Дельбрюк. Визу во Францию Гамову выдавал сам В.М.Молотов, который спросил физика, почему он хочет взять с собой в Париж жену. Гамов ответил, что хочет купить ей шелковое белье, но без примерки это сделать невозможно…
Третьим, обратившим внимание на статью тройки, был итальянец Сальвадор Лурия, пожелавший стать рентгенологом, в результате чего он оказался в лаборатории Ферми. Вполне возможно, что именно Ферми привлек внимание своего ученика к работе хорошо ему знакомого Дельбрюка.
Через Париж и Лиссабон Лурия перебрался в США. В США Лурии пришлось, как и большинству иммигрантов, зарабатывать на жизнь преподаванием. Так он оказался в университете штата Иллинойс в Чикаго, где у него был талантливый и увлекающийся генетикой Джеймс Уотсон. Позднее Ферми представил итальянца Дельбрюку.
На деньги Рокфеллеровского фонда и Рокфеллеровского института в Нью-Йорке Лурия и Дельбрюк основывают в лаборатории неподалеку от Манхэттена знаменитую «фаговую школу» (фаги, или бактериофаги, – это вирусы бактерий). Туда Лурия приглашает окончившего университет Уотсона, чтобы затем отправить его за океан в Кавендишскую лабораторию, где уже работает (сагитированный самим Кендрю) сын Полинга – Питер.
В лаборатории Уотсон близко сходится с Криком, который неторопливо работал над диссертацией под руководством Перутца (отец Крика был обувным фабрикантом, поэтому о заработках на жизнь Крику с его женой беспокоиться не приходилось). Крик был ветераном войны и был доволен тем, что имел много времени на то, чтобы улучшить свои познания в биологии.
Вскоре Л.Полинг опубликовал совместно с Р.Кори свою модель -спирали белка. Как отмечал потом Перутц, «идея спиральности витала в воздухе». В сформированной фаговой группе А.Херши и М.Чейз, используя биохимические методы и электронный микроскоп, доказали, что в бактерию входит только ДНК вируса, а белковая оболочка остается снаружи. Таким способом было подтверждено открытие О.Эйвери, сделанное за десяток лет до этого в Рокфеллеровском институте и опубликованное им в статье с названием «Изучение природы вещества, индуцирующего трансформацию типов пневмококка» (природа свелась к ДНК!). Но это открытие Эйвери оказалось преждевременным…
Американский биохимик Э.Чаргафф установил равное содержание аденина и тимина, а также гуанина и цитозина в нуклеиновых кислотах разного происхождения (правило Чаргаффа). Но он не сделал главного шага, а именно «спаривания» А–Т и Г–Ц, поскольку вслед за Левеном был уверен в одноцепочечности ДНК.
П.Полинг показал Уотсону несоответствие форм азотистых оснований, приводившихся в учебниках, реальным таутомерным формам в растворах. После этого оставался один шаг до «сцепления» комплементарных пар оснований с помощью водородных связей. Крик же озадачился тогда направленностью цепей ДНК…
Но был еще один участник развернувшейся драмы научного поиска…

Невоспетая героиня науки

Розалинд Франклин была в двух шагах от открытия структуры ДНК

Этим участником была Розалинд Франклин, дочь банкира и племянница члена палаты лордов. Она была талантлива и обаятельна. Почти сразу после второй мировой войны она уехала делать диссертацию в Париж, где усвоила свободомыслие научного поиска своих французских коллег.
Успешно защитив диссертацию по рентгенологии, Розалинд продолжила работу в Королевском колледже (Лондон) под формальным руководством Мориса Уилкинса, который выделил сверхтонкие нити ДНК, что было крайне удобно для рентгеноструктурного анализа.
Именно Розалинд Франклин получила четкие рентгенограммы А- и особенно В-форм ДНК, но Уилкинс на правах шефа держал их в своем сейфе, показывая лишь доверенным лицам, среди которых оказался и Уотсон. Соединение всех фрагментов необходимой информации привело к идее двухцепочечности. Началась лихорадочная работа по подготовке модели двойной спирали ДНК и письма в редакцию журнала «Nature».
Спешка подхлестывалась тем, что незадолго до этого Полинг опубликовал статью, в которой привел модель трехцепочечной спирали ДНК, цепи которой переплеталась подобно девичьей косе. Эту статью Уотсону показал Питер Полинг, и молодой американец понял, что старший коллега на верном пути и может их обогнать.
Рисунок для срочно готовившейся статьи сделала Оливия Крик, а окончательный ее вариант от 27 марта 1953 г. печатала сестра Уотсона Элизабет. Статью отослали в Лондон. Туда же пять дней спустя поступила статья Франклин, двухцепочечная спираль которой была ближе к истине, чем модель Уотсона и Крика. Тем не менее из-за формальной разницы во времени приоритет закрепился за Уотсоном и Криком, хотя все три статьи (в том числе и Уилкинса, который получил Нобелевскую премию совместно с Уотсоном и Криком) опубликованы в одном номере журнала «Nature» за 25 апреля 1953 г. Так началась эра ДНК…
Розалинд Франклин умерла в 1958 г. от рака в возрасте 37 лет, можно сказать, на руках Криков. Будь она жива в 1962 г., она должна была бы разделить Нобелевскую премию либо с Уотсоном, Криком и Уилкинсом, либо с Перутцем и Кендрю, которые тогда же получили Нобелевскую премию по химии. Ведь присудили же Фредерику Сенгеру даже вторую Нобелевскую премию (1980) по химии (первая (1958) – за расшифровку им аминокислотной последовательности в инсулине) за разработку метода, который и сегодня лежит в основе «чтения» ДНК-последовательностей и благодаря которому расшифрован геном человека.

Эпилог

Письмо Г.А.Гамова Дж.Д.Уотсону от 17 декабря 1954 г.

Надо сказать, что интерес к открытию Уотсона и Крика стал ощутим только тогда, когда начались работы по раскрытию ген-кода. Вспоминая Гамова, укажем, что он в свое время прислал Уотсону письмо, которое стимулировало его заняться расшифровкой генетического кода. В своей недавней книге «Гены, девушки и Гамов», вышедшей в Оксфорде, Уотсон привел это письмо Гамова на открытке, посланной из Вашингтона 17 декабря 1954 г.
В то время Гамов называет Уотсона уже «дорогой Джим» и благодарит за полученное письмо. Далее он пишет, что не совсем понял идею Уотсона относительно модели РНК-матрицы и добавляет: «…она кажется мне пастью тигра, который держит в своих клыках…» Сначала русский физик написал «теннисный мячик», потом зачеркнул эти слова и сверху написал – «кролика». Затем Гамов вопрошает: «Но какова связь между верхней и нижней челюстями?». (Примечательно, что на мячике имеется аббревиатура «А.А.», обозначающая аминокислоту.)
В конце 1854 г. это действительно были вопросы высокой теории, поскольку никто себе еще не представлял, какова роль РНК в белковом синтезе и каков код этих самых аминокислот. Гамов опубликовал пару статей, в которых на примере четырех карточных мастей (Уотсон пишет, что Гамов страстно увлекался покером), соответствующих четырем основаниям ДНК (А, Г, Т и Ц), предлагал, исходя из положений комбинаторики, трехбуквенный код для каждой аминокислоты.
В журнале «Nature» опубликована в 1961 г. статья Крика «Об общей природе генетического кода для аминокислот». Летом того же года на биохимическом конгрессе, проходившем в Москве, американский биохимик М.Ниренберг пересказал содержание своей статьи, опубликованной в журнале «Science», где сообщалось об открытии первого кодона* аминокислоты. В конце того же года Крик со своими сотрудниками опубликовал статью, согласно которой ген-код должен быть «линейным, трехбуквенным, без запятых, но с точкой на конце» в виде все тех же трех нуклеотидов. Весь код был расшифрован к середине 1964 г.
Таким образом, Гамов оказался совершенно прав. Он основал в Нью-Йорке знаменитый Клуб галстуков РНК, членом которого был и Уотсон. Число членов клуба не превышало 20 (по числу аминокислот, входящих в наши белки). Идеи, бурлившие в этом клубе, в конечном итоге воплощались в изящные и революционные эксперименты, благодаря которым развитие молекулярной биологии и биотехнологии привело к прочтению главной «книги» жизни – генома человека.

*Триплет, единица генетического кода.

* * *

Многое можно рассказать о сугубо технологических применениях ДНК в таких, например, устройствах, как ДНК-чипы и различные сенсоры. Чипы представляют собой укрепленные на поверхности кремния одинарные цепи ДНК самых различных генов. На обычном чипе, подобном тому, что стоит внутри мобильного телефона, умещаются ДНК до двух десятков тысяч генов. Выделение нуклеиновых кислот из клетки позволяет соотнести их со спецификой генов – цепи одного и того же гена соединяются попарно друг с другом благодаря образованию водородных связей между основаниями А–Т и Г–Ц.
С помощью такого чипа можно выявить активные и «спящие» гены в клетках организма или той же опухоли. В связи с распространением атипичной пневмонии в Калифорнийском университете в Сан-Франциско предложен вирусный чип для быстрой и надежной диагностики генов особого вируса, вызывающего это тяжелейшее заболевание легких.
Известно, что ДНК в хромосомах расположены не хаотично, а навиты на так называемые нуклеосомы – белковые тела округлой формы, похожие на колеса. ДНК при этом навивается подобно протектору на поверхности автомобильной шины. На каждую нуклеосому приходится около 1,9 оборота молекулы ДНК, или 147 нуклеотидов. Тугое сворачивание ДНК приводит к «выключению» гена, а разворачивание – к его «включению». Удерживание ДНК на белках нуклеосомы осуществляется с помощью все тех же водородных связей.
Именно это свойство полинуклеотидов ДНК решили использовать химики известного концерна «Дюпон». Для этого они с помощью нагревания разделили ДНК на одинарные цепи, после чего намотали их на нанотрубки (еще одно достижение высоких технологий). Такие трубки состоят из чистого углерода, и благодаря специфике их электронного строения цепи ДНК связываются с ними даже прочнее, чем между собой в двойной спирали.
Что дает такое связывание с ДНК? Многое… Дело в том, что процесс производства нанотрубок весьма и весьма капризен. Одна из сложностей – это их «слипание», из-за которого трудно получать их по отдельности. ДНК же препятствует их скоплению (кластеризации). Это позволит в дальнейшем наладить производство мини-транзисторов и миниатюрных устройств для доставки лекарств.

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(New Scientist, 2003, № 2390, р. 19)