ДНК. История генетической революции
Шрифт:
Эти мысли так бы и оставались только теоретическими умозаключениями, если бы Эрвин Чаргафф не заглянул в Кембридж летом 1952 года, направляясь на Международный биохимический конгресс в Париж. Чаргафф расстроился, что ни я, ни Крик даже не пытались определить химический состав этих четырех оснований. Он еще более разочаровался, когда мы сказали, что ведь можно просто проверить их состав по справочнику, если возникнет подобная необходимость. Нам оставалось только надеяться, что данные Чаргаффа окажутся нерелевантны. Однако Крик всерьез собрался поставить несколько экспериментов и поискать молекулярные «сэндвич-структуры», которые могли бы образовываться при смешивании в растворе аденина и тимина (либо, напротив, гуанина и цитозина). Но эти эксперименты не дали результатов.
Полинг, как и Чаргафф, также присутствовал
В начале 1953 года Полинг действительно опубликовал статью с описанием структуры ДНК. Прочитав ее взахлеб, я обнаружил, что он предлагает модель из трех молекулярных цепочек с сахарофосфатными остовами, образующими плотное ядро. На первый взгляд, эта модель походила на ту модель, которую мы буквально сотворили «на коленке» и предложили пятнадцатью месяцами ранее. Однако в модели Полинга для стабилизации отрицательно заряженных участков не использовались положительно заряженные атомы, например ионы Mg2+, а было предложено нетривиальное решение: он предположил, что фосфаты удерживаются вместе благодаря водородным связям. Однако мне, биологу, казалось, что такие водородные связи могли существовать лишь в условиях исключительной кислотности, которая никогда не наблюдалась в живых клетках. Я опрометью ринулся в химическую лабораторию Александера Тодда и убедился: да, произошло невозможное. Известнейший, а может, и величайший химик в мире напутал с химией. Фактически Полинг вышиб из ДНК букву «К». Мы исследовали дезоксирибонуклеиновую кислоту, но предложенная Полингом формула даже не была кислотной.
Я прихватил рукопись и поспешил в Лондон, чтобы сообщить Уилкинсу и Франклин, что мы по-прежнему в игре. Франклин была уверена, что ДНК никакая не спираль, и не захотела даже читать статью и забивать себе голову идеями Полинга, несмотря на то что я изложил ей весомые аргументы Крика в пользу спиральности ДНК. А вот Уилкинс живо заинтересовался новостями, которые я привез; теперь он был как никогда уверен в том, что ДНК именно спираль. В качестве подтверждения он показал мне фотоснимок, сделанный более полугода назад аспирантом Франклин по имени Раймонд Гослинг, который облучал рентгеном так называемую В-форму ДНК. Франклин просто отложила в сторону этот снимок, который впоследствии стал известен под названием «Фото 51», и предпочла вплотную исследовать A-форму, которая, на ее взгляд, могла дать больше полезной информации. B-форма в рентгеновских лучах имела отчетливую крестовидную форму. Поскольку Крик и другие исследователи уже определили, что такой рисунок будет давать именно спиралевидная структура, это стало весомым доказательством в пользу того, что ДНК просто обязана быть спиралью! На самом деле, несмотря на сомнения Франклин, никакого сюрприза здесь не крылось. По законам геометрии спираль представлялась наиболее логичным вариантом укладки длинной нити из повторяющихся элементов, таких как нуклеотиды ДНК. Однако мы все еще не знали, как выглядит эта спираль и сколько в ней цепочек.
Настало время вернуться к сборке спиралевидных молекул ДНК. Полинг рано или поздно все равно бы убедился, что ошибся с формой молекулы. Я убеждал Уилкинса не терять времени. Однако он хотел дождаться, пока Франклин вернется из отъезда. Той весной у нее была плановая командировка в другую лабораторию. Она решила продолжать работу там, поскольку в Кингс-Колледже она чувствовала себя некомфортно. Перед отъездом она получила распоряжение приостановить исследования ДНК и уже успела передать Уилкинсу многие из своих дифракционных снимков.
Снимки A-
Когда я вернулся в Кембридж и сообщил сенсационные новости о B-форме ДНК, Брэгг уже не видел никаких причин запрещать нам с Криком исследовать эту молекулу. Поэтому мы вернулись к сборке моделей и поиску того, как могут складываться в спираль базовые компоненты ДНК – остов молекулы и четыре разных основания: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Я заказал в кавендишской мастерской набор оловянных моделей этих оснований, но мастера не успели изготовить их достаточно быстро; пришлось довольствоваться грубыми вырезками из плотного картона.
К тому моменту я осознал, что результаты измерения плотности ДНК свидетельствуют в пользу двух, а не трех цепочек. Поэтому решил рассмотреть правдоподобные варианты двойных спиралей. Мне как биологу было логичнее представить, что генетическая молекула должна состоять из двух, а не из трех частей. В конце концов, число хромосом (как и клеток) при делении удваивается, а не утраивается.
Я знал об ошибочности нашей предыдущей модели, где остов располагался внутри, а основания торчали от него в стороны. Данные от химиков из Ноттингемского университета, которые я так долго игнорировал, показывали, что основания должны быть сцеплены водородными связями. Они могли складываться на основе таких связей в стройную структуру, соответствующую данным рентгеновской дифракции, лишь если бы находились в центре молекулы. Однако как в таком случае они могли быть парными? На протяжении двух недель я находился в тупике из-за ошибки в учебнике по химии. К счастью, 27 февраля в Кавендишскую лабораторию заехал Джерри Донохью, химик-теоретик из Калифорнийского технологического института. Он и указал мне на ошибку в учебнике. Так что я поменял положения атомов водорода на картонных моделях молекул.
Химический остов ДНК
На следующее утро, 28 февраля, все ключевые компоненты модели ДНК наконец встали на свои места. Две цепочки удерживались вместе благодаря крепким водородным связям между парами оснований аденин – тимин и гуанин – цитозин. Подтвердились выводы, которые сделал Крик еще год назад на основании результатов исследований Чаргаффа. Аденин действительно связывается с тимином, а гуанин – с цитозином, но не плоскими гранями, как булочки в молекулярном «сэндвиче». Прибыл Крик, все это быстро осмыслил и одобрил мою схему парных оснований. Он сразу понял, что в таком случае возникает двойная спираль, нити которой идут в противоположных направлениях.
Это был знаковый момент. Мы чувствовали, что это оно, то самое открытие. Нечто столь простое и красивое должно было оказаться верным. Нас особенно потрясло, как основания из двух цепочек дополняют друг друга. Если знать последовательность, то есть порядок оснований, в одной цепи, то сразу открывается и последовательность оснований в другой цепи. Сразу становилось ясно, что именно эта структура обеспечивает такую точность при репликации хромосом перед делением клеток. Молекула «расстегивается» на две самостоятельные спирали. Каждая одиночная спираль служит своеобразным шаблоном для сборки второй спирали, из одной двойной спирали получаются две.
В книге «Что такое жизнь?» Шрёдингер предположил, что язык, на котором написана жизнь, может напоминать азбуку Морзе, состоящую из точек и тире. Он был почти прав. Код ДНК состоит из линейных последовательностей А, Т, Г и Ц. Точно так же, как при копировании книжной страницы вручную может возникнуть странная опечатка, так и при копировании всех этих А, Т, Г и Ц по всей длине хромосомы изредка вкрадываются ошибки. Это и есть мутации, о которых генетики рассуждали уже почти полвека. Заменим «о» на «ы» – и «дом» превратится в «дым». Заменим «Т» на «Ц» – и основание АТГ в ДНК превратится в АЦГ.