Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК

Gareth Williams

UNRAVELLING THE DOUBLE HELIX

The Lost Heroes of DNA

© Gareth Williams 2019

© Иллюстрации. Ray Loadman

© Оформление, перевод на русский язык. ООО «Издательство АСТ», 2022

С любовью и благодарностью

Каролине, Тиму, Джо и Тессе

За то, что терпели меня, пока я занимался еще одной книгой

Дороти Стрэнжвэйс

За то, что подала мне идею за чаем на Хартингтон Гров

Гордону «Доку» Райту

За то, что помог мне удержаться на плаву в Кембридже в 1971–1974 годах

Мы все стоим на плечах друг друга.

Наука, которая не решается забыть своих основателей, погибла.

Хронология

1833Роберт Броун описывает ядра в клетках орхидей.

1866Грегор Мендель публикует «Опыты над растительными гибридами».

1868Фридрих Мишер открывает нуклеин (ДНК) в клетках гноя.

1878Альбрехт Коссель выделяет «дрожжевой нуклеин» (впоследствии было показано, что это РНК).

1880Вальтер Флемминг описывает нуклеиновые нити, образующиеся из хроматина во время деления клетки (митоза) у саламандр.

1882Флемминг выдвигает гипотезу об идентичности хроматина и нуклеина.

1885Коссель выделяет два основания – гуанин и аденин – из нуклеина тимуса (зобной железы), а позднее – тимин (1893 год), цитозин (1894 год) и урацил (1900 год).

1888Вильгельм Вальдейер переименовывает нити Флемминга в «хромосомы».

1889Рихард Альтманн переименовывает нуклеин в «нуклеиновую кислоту».

1900Труды Менделя заново открываются Карлом Корренсом, Хуго де Фризом и Эрихом фон Чермаком.

1903Уолтер Саттон формулирует «хромосомную теорию наследственности».

1904Уильям Бэтсон начинает отстаивать принципы Менделя и вводит термин «генетика».

1909Вильгельм Иогансен вводит термины «ген», «генотип» и «фенотип».

Феб Левен идентифицирует сахар в дрожжевой нуклеиновой кислоте (РНК) как рибозу.

1912Левен выдвигает предположение, что нуклеиновые кислоты представляют собой маленькие «тетрануклеотиды», содержащие по одному все четыре основания.

Макс фон Лауэ делает первый рентгеновский снимок кристалла.

1914Лоренс Брэгг формулирует закон Брэгга о рентгеновской кристаллографии; совместно со своим отцом Уильямом разрабатывает «новую кристаллографию».

1915Томас Хант Морган публикует книгу «Механизм менделевской наследственности», описывающую мутации у дрозофил.

1927Фред Гриффит демонстрирует, что мертвые бактерии-пневмококки могут трансформировать (изменять генетически) живые пневмококки при их инъекции в живых мышей.

1928Левен и Коссель заявляют, что гены состоят из белка, а не из нуклеиновой кислоты.

1929Левен идентифицирует сахар в тимусной нуклеиновой кислоте (ДНК) как дезоксирибозу.

Мартин Доусон из лаборатории Освальда Эвери в Рокфеллеровском университете подтвердил данные Гриффита о трансформации пневмококков, также на живых мышах.

1931Доусон и Ричард Сиа получают трансформацию в искусственных условиях (in vitro).

1932Лионель Эллоуэй в лаборатории Эвери выделяет «трансформирующее начало», ответственное за трансформации, но не может описать его с химической точки зрения.

1937Торбьёрн Касперссон выводит, что молекулы ДНК представляют собой очень длинные тонкие цилиндры и что они гораздо больше, чем один «тетрануклеид».

1938Флоренс Белл делает рентгеновские снимки ДНК; вместе с Биллом Астбери она высказывает предположение, что основания в молекуле ДНК уложены друг на друга «как стопка монет».

1940Колин Маклауд из лаборатории Эвери выявляет ДНК в «трансформирующем начале», но не идет дальше этого наблюдения.

1941Альфред Мирски выделяет «хромозин» (ДНК со связанным белком) из клеточных ядер.

1942Маклин Маккарти и Эвери демонстрируют, что «трансформирующее начало» состоит из ДНК с очень небольшим содержанием контаминирующего белка.

1944Эрвин Шрёдингер в своей книге «Что такое жизнь?» выдвигает предположение, что гены представляют собой «апериодические кристаллы».

Эвери, Маклауд и Маккарти публикуют свою эпохальную работу, демонстрирующую, что ДНК является «трансформирующим началом» и генетическим материалом в пневмококках.

Мирски настаивает, что белок, а не ДНК, лежит в основе трансформации и является генетическим материалом.

1947Роллин Хотчкисс демонстрирует, что ДНК содержит неравные количества четырех оснований, таким образом исключив возможность гипотетического тетрануклеотида.

Андре Буавен доказывает, что ДНК трансформирует также другие бактерии (E. coli).

Мэссон Гулланд выдвигает предположение, что молекула ДНК удерживается благодаря водородным связям между основаниями.

Аспирант Гулланда Майкл Крит выдвигает гипотезу о том, что ДНК состоит из двух прямых нитей ДНК, соединенных водородными связями между основаниями в противоположных нитях.

1948Эрвин Чаргафф сообщает о том, что количества аденина и тимина равны друг другу, так же как равны друг другу количества цитозина и гуанина, в разных источниках ДНК.

Лайнус Полинг открывает альфа-спираль, которая играет главную роль в формировании молекул белка.

1949Свен Ферберг определил, что основания лежат перпендикулярно к остову ДНК, и выдвинул гипотезу об однонитевой спиральной структуре ДНК.

1950Рэй Гослинг из Королевского колледжа делает рентгеновский снимок, на котором видна правильная «кристаллическая» форма ДНК (А-форма).

1951Январь:Розалинд Франклин устраивается в Отделение биофизики Королевского колледжа, чтобы работать над рентгеновским анализом структуры ДНК.

Май:Уилкинс демонстрирует кристаллическую структуру ДНК на встрече в Неаполе и вдохновляет Джима Уотсона разобраться в ее строении.

Элвин Бейтон из Лидса делает рентгеновский снимок, на котором видны спиральные характеристики ДНК (B-форма). Снимок игнорируется.

Июль:Уилкинс демонстрирует структуры ДНК на заседании в Кембридже, и Франклин советует ему прекратить работать над ДНК.

Алек Стокс из Королевского колледжа прогнозирует рентгенограмму спиральной молекулы.

Октябрь:Джим Уотсон начинает работать с Фрэнсисом Криком в Кавендишской лаборатории в Кембридже и убеждает его заняться поисками структуры ДНК.

Ноябрь:Уилкинс встречается с Уотсоном и Криком и говорит им, что наиболее вероятная структура содержит три спиральные нити ДНК.

Уотсон посещает коллоквиум в Королевском колледже, где Уилкинс и Франклин представляют свою работу по ДНК.

Брюс Фрейзер из Королевского колледжа создает модель ДНК, содержащую три спиральные нити, которую Уилкинс отвергает.

Декабрь:используя данные Королевского колледжа, Крик и Уотсон создают трехнитевую модель ДНК, которая в корне неверна; Уилкинс прекращает сотрудничество с ними.

1952Январь:Франклин и Гослинг описывают A-форму и B-форму ДНК.

Апрель:Джон Гриффит в Кембридже вычисляет, что за счет водородных связей аденин будет притягиваться к тимину, а цитозин – к гуанину.

Май:Гослинг делает Фотографию 51, на которой видны спиральные характеристики ДНК (B-форма).

Июль:Франклин решает, что «кристаллическая» ДНК (A-форма) не может быть спиралью, так что Уилкинс начинает сомневаться в спиральной природе ДНК в целом.

Декабрь:Полинг предлагает модель ДНК с тремя спиральными нитями, которая также в корне неверна.

1953Февраль:Уотсон приезжает в Королевский колледж; Уилкинс показывает ему Фотографию 51, на которой Уотсон видит диагностические признаки спиральной структуры.

Март:Франклин оставляет Королевский колледж, чтобы заняться изучением структуры вирусов в Колледже Биркбек, Лондон.

Уотсон понимает, что попарное соединение оснований на противоположных нитях – это ключ к структуре ДНК. Используя данные Франклин без ее ведома, он вместе с Криком создают двойную спираль.

Апрель:в журналеNatureвыходят три работы по двойной спирали – Уотсона и Крика; Уилкинса et al.; и Франклин и Гослинга.

Июль:Уотсон и Крик публикуют в журнале Natureпродолжение своей работы, где говорится о самоудвоении ДНК.

195816 апреля:Розалинд Франклин умирает от рака яичника в возрасте 38 лет.

1962Уотсон, Крик и Уилкинс разделяют Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

1968Уотсон публикует «Двойную спираль» (The Double Helix).

2001Независимый научный суд снимает с Грегора Менделя обвинение в фальсификации своих данных.

Кто есть кто

Астбери, Уильям (Билл) (1898–1961)

Английский кристаллограф, который был заворожен «материями природы» и молекулярной структурой волокон и ввел термин «молекулярная биология». Его группа исследователей на кафедре биомолекулярной структуры Лидского университета делала ранние снимки ДНК (см. абзац об Элвине Бейтоне). Астбери полагал, что ДНК играет роль непосредственного шаблона для синтеза белка и что ее структура слишком проста, чтобы быть носителем генетической информации.

Эвери, Освальд Т. (1877–1955)

Бактериолог, биохимик и эксперт по пневмококкам – бактериям, которые вызывают долевую пневмонию. Руководил группой исследователей в Рокфеллеровском институте медицинских исследований, Нью-Йорк, которая доказала, что ДНК является «трансформирующим агентом», который может изменять генетические характеристики пневмококков в лабораторных условиях. Видный ученый, не получивший Нобелевскую премию.

Бейтон, Элвин (1919–2007)

Один из аспирантов Билла Астбери, вообще-то занимавшийся жгутиками бактерий. В мае 1951 года сделал рентгеновский снимок влажных волокон ДНК (B299), на котором виден тот же X-образный рисунок спиральной молекулы, что и на знаменитой Фотографии 51 Рэя Гослинга, сделанной годом позже. B299 никогда не публиковался и не демонстрировался.

Бернал, Джон Десмонд (1901–1971)

Прозван «Мудрецом» за то, что он, как казалось, знает все. Харизматичный человек энциклопедических знаний, о котором невозможно рассказать в нескольких строках. Питал страсть к рентгеновской кристаллографии, женщинам, неразорвавшимся бомбам, искусству и всему, связанному с Советским Союзом. Возглавлял кафедру кристаллографии в Колледже Биркбек, Лондон, где Розалинд Франклин занималась структурой вирусов, оставив свои исследования ДНК в Королевском колледже в начале 1953 года.

Брэгг, сэр Лоренс, член Королевского общества (1890–1971)

Самый молодой в истории лауреат Нобелевской премии (в возрасте 25 лет) в области естественных наук, которую получил вместе со своим отцом в 1916 году. Сформулировал Закон Брэгга, являющийся одним из основных принципов рентгеновской кристаллографии. Профессор физики и директор Кавендишской лаборатории в Кембридже с 1938 по 1954 год. В его исследовательскую группу входил Отдел Совета по медицинским исследованиям по изучению молекулярной структуры биологических систем, возглавляемый Максом Перуцем, который привлек Фрэнсиса Крика (1949 год) и Джеймса Уотсона (1951 год).

Брэгг, сэр Уильям, член Королевского общества (1862–1942)

Один из отцов рентгеновской кристаллографии. Вместе со своим сыном Лоренсом получил Нобелевскую премию по физике в 1916 году за расшифровку структуры многих солей и минералов. Когда он занимал пост президента Королевского института в Лондоне в 1930-е, у него учились рентгеновской кристаллографии Билл Астбери и Дж. Д. Бернал.

Чаргафф, Эрвин (1905–2002)

Американский биохимик украинского происхождения и эрудит, критически относящийся к ситуации в научной среде и мире в целом. Исследуя строение ДНК из различных источников, он заметил, что количество аденина равно количеству тимина, а количество цитозина – количеству гуанина («правило Чаргаффа»). Он весьма скептически относился к вкладу Уотсона и Крика и полагал, что его собственное открытие заслуживало Нобелевской премии.

Крит, Майкл (1924–2010)

Один из аспирантов Мэссона Гулланда из Ноттингема, чьи исследования физических и химических свойств ДНК обеспечили доказательства того, что молекула удерживается за счет водородных связей между основаниями. Крит высказал предположение в своей неопубликованной диссертации (1947 год), что ДНК представляет собой двунитевую молекулу, которая удерживается за счет водородных связей между основаниями из противоположных нитей.

Крик, Фрэнсис (1916–2004)

«Высокий, красивый и чрезвычайно английский» физик, биохимик и, в конечном счете, нейроученый. Будучи спасен от «невообразимо скучного» исследовательского проекта бомбой Люфтваффе, он устроился в Кавендишскую лабораторию в Кембридже, которая занималась изучением структуры белков. Там он встретил Джима Уотсона, который разжег в нем интерес к расшифровке структуры ДНК. Их работа по двойной спирали была опубликована в журналеNatureв 1953 году, до того, как Крик защитил свою диссертацию.

Флемминг, Вальтер (1843–1905)

Немецкий микроскопист и профессор анатомии в Кильском университете, который распознал движения хромосом во время деления клетки (которое он назвал митозом) в тканях огненной саламандры. Ввел термин «хроматин» для обозначения ярко окрашенного вещества в хромосомах и предположил, что это вещество идентично нуклеину, о котором говорил Фридрих Мишер.

Франклин, Розалинд (1920–1958)

Английский специалист по рентгеновской кристаллографии, которая при жизни была наиболее известна своими исследованиями по структуре угля и вирусов. Работая под руководством Джона Рэндалла в Отделении биофизики Королевского колледжа в Лондоне, она выявила A-форму и B-форму ДНК; ее аспирант Рэй Гослинг сделал знаменитую Фотографию 51, на которой просматривается спиральная структура B-формы. Франклин сгенерировала большую часть данных, использовавшихся Уотсоном и Криком для получения двойной спирали, и на нее смотрели как на бывшую «в двух полушагах» от того, чтобы самой расшифровать структуру.

Ферберг, Свен (1920–1983)

Шведский биохимик, изучавший рентгеновскую кристаллографию для защиты диссертации у Дж. Д. Бернала. Выявил способы соединения оснований с сахаром, дезоксирибозой и в своей неопубликованной диссертации (1949 год) выдвинул предположение о том, что ДНК является спиральной однонитевой молекулой.

Гослинг, Рэй (1926–2015)

Будучи аспирантом в Королевском колледже, работал как с Морисом Уилкинсом, так и с Розалинд Франклин. Сделал два классических рентгеновских снимка ДНК: «кристаллическое» изображение, которое вызвало у Уотсона желание разгадать структуру ДНК, и фотографию 51, подтвердившую спиральную природу молекулы. Впоследствии работал с Франклин над определением A-формы (кристаллической) и B-формы (спиральной) ДНК.

Гриффит, Фред (1879–1941)

Склонный к уединению английский бактериолог, работавший в государственной лаборатории в Лондоне; ненавидел научные конференции и редко публиковался. В 1928 году описал «трансформацию» пневмококков – первую передачу генетического материала между живыми организмами, полученную в лаборатории. Эвери впоследствии показал, что ДНК является ответственным за это «трансформирующим началом».

Гулланд, Мэссон (1898–1947)

Шотландский биохимик, целью всей жизни которого было вернуться в Эдинбург профессором биохимии. Его научные интересы простирались от нуклеиновых кислот до использования шотландских водорослей для изготовления водонепроницаемой одежды. Занимая пост профессора биохимии в Шеффилде, руководил исследованием, которое показало, что молекула ДНК удерживается за счет водородных связей между основаниями.

Коссель, Альбрехт (1853–1927)

Немецкий биохимик и человек принципа, который посвятил свою карьеру поиску структурных элементов («кирпичиков») больших биологически значимых молекул, в том числе нуклеиновых кислот. Получил Нобелевскую премию по химии (1910 год), преимущественно за свои работы по белкам, связанных с ДНК в ядре. В своей основной книге (опубликованной посмертно) о компонентах ядра он сделал вывод, что ДНК играет меньшую роль, чем белки, чем помог подорвать интерес к ее роли в наследственности.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.