Как произошло удивительное открытие?

До открытия носителя генетической информации – молекулы ДНК – мы понятия не имели о механизмах, лежащих в основе всего живого. История описания ее структуры – легендарной двойной спирали – это история одного из величайших открытий науки. Это ключ ко всему живому на Земле: обычная молекула, известная как ДНК, содержится в каждой клетке вашего тела. Потребовалось совершить несколько научных прорывов, прежде чем мы разобрались в ее структуре и осознали всю важность ее значения для биологии, что в итоге привело к настоящей революции в науке.

За окнами старинного немецко­го замка 1869 год. В замковой лаборатории молодой ученый трудится над удивительным от­крытием. Лаборатория занима­ется исследованием содержи­мого клеток, и Фридрих Мишер изучает белые кровяные тельца, которые он выделяет из гноя с использованных бинтов. Устав от классификации клеточных белков, Мишер переключает внимание на содержащую фтор кислоту, которая неизменно проявляется в его образ­цах. 

Она не на шутку его озадачила, и ученый заявил об открытии нового класса химических соединений. Так был обнаружен нуклеин, или, как мы теперь его называем, ДНК. Руководитель Мишера, Феликс Хоппе-Зейлер, был скептиком. К находке подчиненного он отнесся насторо­женно, а потому предпочел повторить эксперименты, только два года спустя опубликовал результаты. Однако про­шло еще не одно десятилетие, прежде чем научное сообщество осознало важность ДНК.

Структура ДНК

Хромосомы были обнаружены в клетках в начале 1840-х. Эти геносодержащие структуры не что иное, как накрученные на особые белки нити ДНК. Несколько позже ученые заметили, что в процессе клеточного деления хромосомы сначала удваива­ются, а затем делятся поровну между двумя дочерними клетками.

Эксперименты по наслед­ственности с помощью гороха и семян

В 1865 году австрийский монах Грегор Мендель сообщил об изыска­ниях в области наследственности, которые он проводил на растениях (горохе). В результате многолетней работы Мендель пришел к выводу, что признаки наследуются как дис­кретные единицы. В начале XX века исследования подтвердили, что эти единицы, или гены, должны нахо­диться в хромосомах. Но из чего же они состоят — из ДНК или белков? И как выглядят?

Из чего состоят дискретные единицы?

Одним из первых на эти вопросы попытался ответить немец Альбрехт Коссель, работавший в конце XIX века под руководством того же Хоппе-Зейлера. Именно он открыл в составе ДНК основания, которые назвал тимином (Т), аденином (А), цитозином (С) и гуанином (G).

Работы в этом направлении про­должил в США выходец из России Фебус Левин. Ему удалось выявить остальные: сахар дезоксирибозу и фосфат­ные группы. 

Он также показал, что ДНК состоит из сегментов, которые назвал нуклеотидами. Каждый из них содержит сахар, фосфатную группу и основание, при этом соседние сег­менты соединены друг с другом через фосфатную группу одного нуклеотида и сахар другого, образуя так называе­мый сахарофосфатный остов. Однако этим корректные выводы Левина и исчерпывались. Так, он полагал, что каждая молекула ДНК состоит всего из четырех нуклеотидов, вместе образующих кольцевую структуру, ко­торую он назвал тетрануклеотидом.

Откуда мы знаем?

Описание всей сложности строения ДНК требовало более основательного подхода, и пока Левин разбирался с несуществующими тетрануклеотидами, англичане — отец с сыном — трудились над методикой, которой суждено было установить точную структуру ДНК.

В 1912-1914 годы Уильям Генри Брэгг, физик из Лидского универ­ситета, и его сын Уильям Лоренс Брэгг, исследователь из Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете, заложили основы рентгеноструктурного анализа. На эту работу их вдохновили исследования Макса фон Лауэ, который в 1912 году установил, что рентгеновские лучи отклоняются при прохождении сквозь высокоупорядоченные структуры кри­сталлов. Брэгг-младший предположил, что, поскольку расположение атомов в кристаллах упорядочено, характер преломления рентгеновских лучей должен помочь раскрыть их структуру. Его отец сконструировал первый рент­геновский спектрометр, с помощью которого они проверили свои предпо­ложения на кристаллах соли. Применительно к биологическим молекулам одной из первых эту методику использовала группа под руководством Уильяма Астбери (он учился у Уильяма Генри Брэгга в Ко­ролевском институте Великобрита­нии, а в 1928 году перешел на работу в Лидский университет). 

Первые разрушенные мифы

В 1937 году Астбери получил образцы ДНК телен­ка от шведского исследователя Торбьёрна Касперссона, который двумя годами ранее показал, что ДНК — это длинная полимерная цепь из нуклеотидов, а вовсе не тетрануклеотид, как полагал Левин. В тот же год аспирантка Астбери, Флоренс Белл, получила первые дифракционные рентгенограммы ДНК. 

Именно тогда стало очевидно, что структуру этой молекулы можно рассчитать. Снимки Астбери и Белл походили, скорее, на кляксы, однако позволили установить один ключевой параметр: расстояние между отдель­ными основаниями молекулы ДНК. В 1938 году на основе полученных снимков Астбери предложил свою модель ДНК, в которой основания рас­полагались стопкой одно над другим. 

«Фотография 51»: разгаданы главные особенности структуры ДНК

Ключевой эксперимент Розалинд Франклин, с результатами которого Уотсону удалось мельком ознакомить­ся, — это целая серия кропотливых опытов по рентгеновской кристалло­графии на образцах ДНК, содержащих разное количество воды. Наиболее из­вестным результатом этой работы стала так называемая «фотография 51»— сделанный в мае 1952 года снимок, раскрывающий ключевые особенности структуры ДНК.

Чем чаще повторяется тот или иной элемент структуры, тем сильнее пленка подвергается бомбардиров­ке одинаково рассеянными рент­геновскими лучами и тем темнее оказывается соответствующий фрагмент изображения. Крупные темные участки в верхней и ниж­ней части снимка представляют собой азотистые основания ДНК, а крестообразный узор указывает на спиральную структуру. Плечи креста характеризуют плоскости симметрии спирали при взгляде сбоку — «зиг» и «заг» ее витков. 

Каждое плечо со­стоит из 10 пятен, соответствующих 10 парам оснований, расположенных друг над другом в пределах одного витка спирали. Хорошо заметно, что каждое четвертое пятно от центра отсутствует, из чего можно сделать вывод о небольшом смещении одной цепи ДНК относительно другой. К анализу «фотографии 51» Роза­линд Франклин вернулась в начале 1953 года. Из ее записей следует, что она смогла интерпретировать все ключевые аспекты этого снимка и, возможно, на тот момент уже пришла к тем же выводам, что и Уотсон и Крик. 

Подсказка от бактерий 

Тем временем в США Освальд Авери оттачивал эксперимент, впервые по­ставленный в 1928 году британским микробиологом Фредом Гриффитом. Последний показал, что безвредные формы бактерий и их потомки могут стать опасными после контакта с болезнетворной формой. Очевидно, происходило это в результате переда­чи какого-то фактора вирулентности от опасных бактерий к неопасным. Авери и его коллеги целенаправленно подобрали условия, в которых могла происходить передача только ДНК, но не белков. Таким образом они показа­ли, что только ДНК может передавать наследуемые признаки. Так в 1950-х было положено начало гонке за пер­венство в разгадке тайны структуры ДНК. Правда, не все догадывались, что это гонка...

ДНК в двух разных формах – одно из крупнейших открытий ученых-биологов

Новый импульс изучение ДНК полу­чило с окончанием Второй мировой войны, когда многие работавшие на военную машину физики переключи­ли свое внимание на более мирные вопросы биологии. Среди них был и Морис Уилкинс. Во время войны ему довелось поработать и над радарами, и над атомной бомбой. В середине 1950-х Уилкинс получил должность помощника директора в новом отде­лении биофизики Лондонского коро­левского колледжа. В сыром подвале под руслом Темзы Уилкинс с аспиран­том Рэймондом Гослингом получили намного более четкие, чем у Астбери, рентгенограммы ДНК. В 1951 году к группе присоедини­лась Розалинд Франклин, владев­шая ценными навыками в области кристаллографии. Одним из крупней­ших открытий, сделанных Франклин совместно с Гослингом за время ее ра­боты в Королевском колледже, стала находка двух разных форм ДНК: без­водной и более тугой спирали А-ДНК и более растянутой гидратированной В-ДНК, причем обе формы давали разную картину на рентгенограммах. Размытые снимки Астбери, вероятно, представляли собой комбинацию из этих двух состояний.

Роковые ошибки

Когда к более опытному британ­цу Крику присоединился необычай­но рано защитивший диссертацию американец Уотсон, последнему было чуть больше 20 лет. Вместо экспери­ментальной работы с ДНК тандем сконцентрировался на построении моделей, позволяющих понять, каким образом соединяются друг с другом известные компоненты молекулы ДНК. 

Значительную часть экспери­ментальных сведений они почерп­нули из семинаров и неформальных разговоров с Уилкинсом, с которым их связывали приятельские отношения. В конце 1951 года Уотсон и Крик пригласили исследовательскую группу из Королевского колледжа ознако­миться с их последним вариантом модели, который, как им казалось, отражал реальную структуру ДНК. При ее создании ученые во многом руководствовались содержанием доклада Франклин — в том виде, в каком его запомнил Уотсон. Модель представляла собой тройную цепочку ДНК с расположенным внутри сахаро-фосфатным остовом и обращенными наружу азотистыми основаниями. Франклин сразу отмела этот вариант, поскольку гидрофильные свойства ДНК предполагают, что снаружи дол­жен быть остов. После такого конфуза Брэгг запретил тандему заниматься исследованиями ДНК.

«Окрыляющие» открытия

В мае 1952 года Франклин сделала снимок, известный по сей день как «фотография 51», — невероятно чет­кую дифракционную рентгенограмму В-формы ДНК. Однако, следуя дого­воренности с Уилкинсом сконцентри­роваться на исследованиях А-формы ДНК, продолжать работу с этим сним­ком она не стала. К январю 1953 года Франклин приняла решение перейти из Королевского колледжа в Биркбек, а потому начала передавать дела Уилкинсу. Уилкинс, давно считавший ДНК спиральной молекулой, показал этот снимок Уотсону, который позже напи­сал по этому поводу следующее: «Как только я увидел снимок, моя челюсть отвисла, а сердце чуть не выскочило из груди». В воображении Уотсона «фотография 51» моментально сло­жилась в спираль — и в Кембридж он вернулся воодушевленным.

Головоломка собрана

В феврале 1953 года Лайнус Полинг — настоящий титан молекуляр­ной биологии и эксперт в области структуры белков — предложил свой вариант строения молекулы ДНК. Однако поскольку натот момент в его распоряжении были лишь ранние выводы Астбери, вариант Полинга оказался ошибоч­ным. Помимо всего прочего, он также полагал, что ДНК состоит из трех цепей. Обеспокоенные тем, что Велико­британия может проиграть гонку, и одновременно узрев шанс вырваться вперед, Уотсон и Крик вернулись к соз­данию моделей. Они знали, как далеко отстоят друг от друга азотистые осно­вания, что остов ДНК расположен сна­ружи и что вся структура представляет собой спираль, причем, судя по всему, состоящую из двух цепей. Теперь в их распоряжении оказалось еще больше данных Франклин, полученных из отчета комитета по биофизике при британском Совете по медицинским исследованиям, который финансиро­вал обе группы. Именно эти данные позволили Крику сделать вывод, что нить ДНК выглядит одинаково с обоих концов, а потому цепочки в ней должны быть направлены противоположно друг другу. Последним недостающим элементом дополнил головоломку Эрвин Чаграфф, который посещал группу из Кавендишской лаборатории в 1952 году. Он установил, что количество адениновых оснований  (А) совпадает с количеством тиминовых (Т), а цитозина (C), столько же, сколько гуанина (G). 

Секрет жизни раскрыт! 

Благодаря полученным данным Уотсон и Крик сообразили, что А всегда связаны с Т, а С — с G, формируя таким образом похожую на лестницу спираль, в которой спарен­ные азотистые основания подобны перекладинам лестницы, а сахарофосфатные остовы — ее боковинам. Как только модель была готова, коллеги отправились пообедать в местный трактир TheEagle(«Орёл»), где заявили, что раскрыли секрет жизни. А когда группа из Королевско­го колледжа посетила их в очередной раз, этот вариант модели сразу был принят. «То, что Роззи моментально согласилась с нашей моделью, по­началу ошеломило меня, — писал позже Уотсон. — Как бы то ни было... она согласилась, что наша структура слишком хороша, чтобы оказаться неправдой».

Нобелевская премия и поиск механизмов, с помо­щью которых ДНК управляет самой жизнью

В апреле 1953 года описание струк­туры Крика и Уотсона опубликовал журналNatureвместе с двумя статьями группы из Королевского колледжа. Ни один из них не упомянул о роли, которую сыграли данные этой груп­пы, и Розалинд Франклин умерла в 1958 году, вероятно, так и не успев понять, что именно она сделала на самом деле. Уже в 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую пре­мию. В 1953 году Уотсон и Крик писали с уверенностью: «Нельзя не заметить, что постулированное в нашей модели специфическое спаривание оснований само по себе представляет возможный механизм копирования генетического материала». В последующие годы ученые вы­яснили, как именно ДНК сама себя копирует и каким образом цепочка из А, Т, С и Gформирует матрицу для сбора белков. Еще позже изучение генома человека позволило разобрать­ся в тонкостях механизмов, с помо­щью которых ДНК управляет самой жизнью.