ДНК. История генетической революции
Шрифт:
Двойная спираль была логична как с химической, так и с биологической точки зрения. Теперь можно было забыть о шрёдингеровской гипотезе по поводу иных законов физики, которые могли бы понадобиться, чтобы понять, как копируется наследственный генетический код. Гены укладывались в обычную химию. Позднее в тот же день мы обедали в пабе «Игл», буквально примыкающем к Кавендишской лаборатории, и Крик, у которого рот не закрывался, все-таки не удержался и объявил во всеуслышание, что мы открыли «тайну жизни». Меня эта мысль волновала не меньше, но я бы предпочел подождать, пока мы сделаем красивую трехмерную модель и сможем с нею покрасоваться.
Наше озарение, благодаря которому все сложилось: пары оснований комплементарны
Основания
Одним из первых, кто услышал о нашей модели, был Майкл, сын Френсиса Уотсона. Майклу тогда было двенадцать, и он учился в школе-пансионе. Френсис написал Майклу семистраничное письмо о «важнейшем открытии», приложив к нему весьма качественный набросок двойной спирали. Он описал структуру ДНК как «длинную цепочку, из которой торчат пластинки», и предложил Майклу взглянуть на эту модель, когда тот в следующий раз приедет домой. Подписал весточку «сильно-сильно люблю тебя. Папа». (Майкл поступил достойно: он много лет хранил это письмо, а в 2013 году продал с аукциона за рекордную сумму 5,3 миллиона долларов, и половину этой суммы Майкл пожертвовал Институту Солка, где Френсис, скончавшийся в 2004 году, спокойно провел последние годы.)
Среди первых, кому мы показали нашу демонстрационную модель двойной спирали, был химик Александер Тодд. Он одновременно удивился и обрадовался, что ген устроен так просто. Правда, впоследствии он, должно быть, задумывался, почему в его лаборатории, где был определен общий химический состав ДНК, никто даже не попытался построить трехмерную модель укладки цепочек ДНК. Нет, суть молекулы довелось открыть двум парням, биологу и физику, и оба они не владели химией даже на университетском уровне. Однако, как ни парадоксально, отчасти именно этим и объясняется наш успех: мы с Криком первыми докопались до структуры двойной спирали, поскольку большинство химиков считали молекулу ДНК слишком крупной, чтобы подступиться к ней на уровне химического анализа.
За пять недель до того, как модель двойной спирали была опубликована в журнале Nature, Крик признался в нашем открытии своему сыну Майклу в рукописном письме (вы видите отрывки из него). В 2013 году письмо было продано с аукциона за рекордные 5,3 миллиона долларов
В то же время те двое химиков, которые пытались вообразить трехмерную структуру ДНК, допустили крупные тактические ошибки. Розалинд Франклин упрямо не хотела собирать объемные модели, а Лайнус Полинг просто не потрудился почитать имевшуюся литературу по ДНК, в частности данные о составе оснований, опубликованные Чаргаффом. По иронии судьбы, Полинг и Чаргафф отправились через Атлантику на Парижский биохимический конгресс 1952 года на одном и том же корабле, но так и не наладили контакт друг с другом. Полинг привык к тому, что он всегда прав. Считал, что нет такой химической задачи, которую он не смог бы самостоятельно решить, исходя из чисто теоретических принципов. В обычной ситуации такая уверенность была уместна. Во время холодной войны он проявил себя как авторитетный критик американской ядерной программы, и после одной из лекций его даже допросили сотрудники ФБР. Их интересовало, откуда он знает, сколько плутония в атомной бомбе. Полинг ответил: «Никто мне не рассказывал. Сам определил».
В течение нескольких следующих месяцев Крик и я, хотя и в меньшей степени, с упоением хвастались нашей моделью перед любопытными учеными, которые шли к нам сплошным потоком. Однако биохимики из Кембриджа даже не предложили нам выступить с официальной лекцией в биохимическом корпусе. Нас даже прозвали «WC» – подкалывали, ведь такой аббревиатурой в английском языке обозначается туалет. Их раздражало, что мы открыли двойную спираль без всяких экспериментов.
Мы послали рукопись в журнал Nature в начале апреля, но статью опубликовали лишь три недели спустя, 25 апреля 1953 года. Одновременно с нашей работой были опубликованы две более объемные статьи – от Франклин и Уилкинса; обе они в общих чертах подкрепляли нашу модель. Лишь показав им нашу рукопись, мы осознали, что примерно двумя неделями ранее Розалинд принялась пристально исследовать B-форму ДНК и практически сразу пришла к выводу, что эта молекула имеет форму двойной спирали. Но она не догадалась, что такая спираль скреплена парами оснований А – Т и Г – Ц.
В июне я впервые презентовал нашу модель в Колд-Спринг-Харборе на семинаре по вирусологии. Макс Дельбрюк похлопотал, чтобы меня пригласили выступить там. Но позвали в последний момент. Я принес на это крайне интеллектуальное мероприятие объемную модель, собранную в Кавендишской лаборатории. Пары аденин – тимин были красными, а гуанин – цитозин – зелеными.
Коротко и ясно: статья из журнала Nature с анонсом нашего открытия. Той же проблеме были посвящены две более объемные статьи – Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса
Расплетаю
В аудитории присутствовал Сеймур Бензер, бывший физик, который развивал идеи из книги Шрёдингера. Он сразу же понял всю важность нашего исследования для изучения мутаций у вирусов. Он осознал, что теперь с коротким фрагментом ДНК бактериофага можно сделать то же самое, что ученики Моргана пятьюдесятью годами ранее проделывали с хромосомами дрозофил. Он собирался картировать мутации, то есть определять их последовательность, в рамках гена, так же как первые исследователи плодовых мушек картировали порядок генов в пределах хромосомы. Сеймур Бензер, как и Морган, считал, что каждый новый генетический набор должен образовываться путем рекомбинации. Однако если Морган в своей работе мог опираться на готовый механизм рекомбинации, отвечающий за образование половых клеток у дрозофилы, то Бензеру приходилось запускать рекомбинацию путем введения в бактерию, выступающую в роли клетки хозяина, двух разных бактериофагов, которые бы различались одной или более мутациями в исследуемом фрагменте ДНК. Внутри бактериальной клетки иногда могла происходить рекомбинация – обмен фрагментами молекул – между двумя разными вирусными ДНК. В результате возникали новые наборы мутаций, так называемые рекомбинанты. Всего за один год ошеломительно плодотворной работы в своей лаборатории в Университете Пердью Сеймур Бензер составил карту одного бактериального гена, rII, продемонстрировав, что в вирусной ДНК одна за другой упорядочиваются последовательные мутации, каждая из которых – очередная ошибка в генетическом сценарии. Этот язык оказался простым и линейным, все равно что строка текста на странице.
Репликация ДНК: двойная спираль расстегивается, как молния, и обе нити копируются
Венгерский физик Лео Сцилард отреагировал на мою лекцию о ДНК, прочитанную в Колд-Спринг-Харборе, не столь академично. Он поинтересовался: «Вы можете это запатентовать?» Некоторое время основным источником доходов Сциларда был полученный совместно с Эйнштейном патент, который Сцилард впоследствии безуспешно пытался повторно заявить вместе с Энрико Ферми, – речь шла о ядерном реакторе, который они совместно сконструировали в 1942 году в Университете Чикаго. Однако как тогда, как и сейчас патенты выдавались лишь на те изобретения, которые имели практическую пользу, а в те времена никто не мог даже помыслить, каким образом можно было бы практически применять ДНК.
Однако в головоломке двойной спирали оставался еще один незавершенный фрагмент: нашу версию о том, что ДНК при репликации расстегивается, как молния, предстояло проверить экспериментально. Например, Максу Дельбрюку версия казалась неубедительной. Сама модель двойной спирали ему нравилась, но он опасался, что при расстегивании по принципу молнии она может спутываться в ужасные узлы. Пять лет спустя эти опасения были развеяны после публикации работы Мэтта Мезельсона, бывшего ученика Лайнуса Полинга, и Франка Шталя, молодого перспективного сотрудника группы «Фейдж». Они опубликовали результаты одного очень красивого эксперимента.
Эксперимент Мезельсона – Шталя
Мэтт Мезельсон и Франк Шталь познакомились летом 1954 года в Лаборатории морской биологии в Вудс Холле, штат Массачусетс, где я в ту пору читал лекции, и – после изрядного количества джина с мартини – условились, что им следует вместе заняться наукой. Результат их сотрудничества был охарактеризован как «самый красивый биологический эксперимент».
Они воспользовались методом центрифугирования и смогли отсортировать молекулы по весу, хотя разница и была минимальной. Благодаря вращению центрифуги сравнительно тяжелые молекулы скапливались на дне пробирки, а более легкие – над ними. Поскольку в состав ДНК входят атомы азота (N) и поскольку есть два изотопа азота – один тяжелее, другой легче, – Мезельсон и Шталь смогли пометить сегменты ДНК и таким образом отследить процесс их репликации у бактерий. Исходно все бактерии выращивались в среде, содержащей тяжелый азот, и, таким образом, его атомы встраивались в обе нити ДНК. Ученые взяли образец этой культуры, перенесли его в среду, содержащую только легкие атомы азота, и при репликации в ДНК стал попадать только легкий азот. Если мы с Криком были правы относительно того, что ДНК при репликации расстегивается, как молния, и обе нити копируются, то две образующиеся в результате «дочерние» молекулы ДНК должны бы были получиться гибридными. В каждой была бы одна нить с тяжелыми атомами азота, послужившая шаблоном и взятая из исходной молекулы, и одна нить с легким азотом (собранная уже в новой среде). Центрифугирование, проведенное Мезельсоном и Шталем, дало именно такой результат. В цен-трифужных пробирках они обнаружили три четких слоя ДНК. Молекулы с сочетанием тяжелых и легких атомов азота расположились посередине; над ними были молекулы только с легким азотом, а под ними – только с тяжелым. Репликация ДНК происходила именно так, как описано в нашей модели.
Меняя маски
1. Унесенный ветром
Фантастика:
боевая фантастика
попаданцы
рейтинг книги
