ДНК. История генетической революции

Когда в 1947 году я прибыл в Университет Индианы, планируя писать диссертацию по генетике, в научных беседах то и дело упоминалась статья Эвери. К тому времен никто уже не сомневался в воспроизводимости его результатов, а более свежие работы, выполненные в Рокфеллеровском институте, оставляли все меньше оснований полагать, что превращения бактерий могут быть связаны с действием белков. Наконец-то ДНК превратилась в важную цель для химиков, стремившихся к новым прорывным открытиям. В Англии в Кембридже работал толковый шотландский химик Александер Тодд, попытавшийся идентифицировать химические связи, существующие между нуклеотидами в ДНК. К началу 1951 года результатами исследований, проведенных в лаборатории Тодда, удалось доказать, что эти связи всегда одинаковы и остов молекулы ДНК имеет очень правильную форму. В тот же период беженец из Австрии Эрвин Чаргафф, работавший в Колледже терапии и хирургии при Колумбийском университете, применил новый метод, бумажную хроматографию, чтобы измерить количественное соотношение четырех оснований ДНК в препаратах, взятых у различных позвоночных и бактерий.

В Индиане я присоединился к небольшой компании дальновидных ученых, в основном физиков и химиков, изучавших репродуктивные механизмы вирусов, атакующих бактерии (такие вирусы называются бактериофаги или коротко – фаги). «Группа Фейдж» сформировалась, когда мой научный руководитель врач Сальвадор Лурия, обучавшийся в Италии, и его близкий друг физик-теоретик Макс Дельбрюк, родившийся в Германии, объединились с американцем Альфредом Херши, специалистом по физической химии. В годы Второй мировой войны и Лурия, и Дельбрюк считались «гражданами враждебных государств», поэтому не допускались к участию в военных научных проектах, несмотря на то что Лурия, этнический еврей, был вынужден бежать из Франции в Нью-Йорк, а Дельбрюк покинул Германию, поскольку выступал против нацизма. Оказавшись изгоями, они тем не менее продолжали работать в своих университетских лабораториях – Лурия в Индиане, а Дельбрюк в Университете Вандербильта – и в течение нескольких лет регулярно выбирались летом в Колд-Спринг-Харбор, чтобы совместно поэкспериментировать над фагами. В 1943 году они заключили альянс с блистательным, но немногословным Херши, который в ту пору сам исследовал фаги у себя в Университете им. Вашингтона в Сент-Луисе.

Исследовательская программа группы «Фейдж» основывалась на предположении, что фаги, как и все вирусы, – это фактически «оголенные гены». Такую концепцию впервые предложил в 1922 году одаренный американский генетик Герман Дж. Меллер, который тремя годами ранее показал, что рентгеновские лучи вызывают мутации. Заслуженную Нобелевскую премию он получил в 1946 году, вскоре после того как поступил на работу в Университет Индианы. Именно ради встречи с ним я и приехал в Индиану. Герман Дж. Меллер, который начал научную карьеру под руководством Моргана, лучше кого бы то ни было представлял себе развитие генетики в первой половине XX века, поэтому я был просто очарован его лекциями в первом семестре. Однако его работа с плодовыми мушками (Drosophila) принадлежала скорее к прошлому, чем к будущему. Я недолго раздумывал над тем, стоит ли браться за такие исследования под его руководством, и в результате остановился на фагах Лурии, поскольку фаги размножаются гораздо быстрее дрозофил и поэтому они еще интереснее в качестве объекта для исследования. Результаты скрещивания фагов, проведенного сегодня, можно анализировать уже завтра.

Предлагая мне тему для диссертации, Лурия посоветовал следовать «по его стопам» и изучить, как фаговые частицы гибнут под действием рентгеновских лучей. Изначально я предполагал, что причиной смерти вирусов окажется повреждение ДНК. В итоге пришлось нехотя признать, что мой экспериментальный подход, увы, не дал однозначных результатов на химическом уровне. Я мог делать лишь биологические выводы. Хотя фаги, в сущности, состояли только из нуклеиновой кислоты и капсида, я понял, что более глубокие ответы на возникающие вопросы, которых доискивалась группа «Фейдж», можно получить лишь на уровне изучения сложных химических процессов. Каким-то образом ДНК должна была превзойти свой тогдашний «аббревиатурный» статус и открыться нам как молекулярная структура во всех химических подробностях.

Закончив работу над диссертацией, я не видел иной альтернативы, кроме как отправиться в лабораторию, где мог бы изучать химизм молекулы ДНК. К сожалению, в «чистой» химии я почти не разбирался. Я просто не справился бы с работой в любой лаборатории, где ставились сложные эксперименты по органической или физической химии. Так что осенью 1950 года на докторантскую стипендию я отправился в Копенгаген в лабораторию к биохимику Герману Калькару, который изучал синтез мелких белковых молекул, из которых состоит ДНК, но я быстро понял, что его биохимические методы никогда не помогут нам понять сущность гена. Каждый день, проведенный в его лаборатории, был, по сути, простоем на пути к ответу, как ДНК переносит генетическую информацию.

Тем не менее год, проведенный в Копенгагене, оказался плодотворным. Чтобы не зябнуть там холодной датской весной, в апреле и мае я отправился на зоологическую станцию в Неаполь. Когда шла последняя неделя моей жизни в Неаполе, я побывал на небольшой конференции, посвященной дифракции рентгеновских лучей – методу, позволяющему определять объемную структуру молекул на основе рассеяния рентгеновских лучей кристаллами (или молекулами жидкостей и газов), при котором из начального пучка лучей возникают вторичные отклоненные пучки той же длины волны, появившиеся в результате взаимодействия первичных рентгеновских лучей с электронами изучаемого вещества. Дифракция рентгеновских лучей позволяет изучить атомную структуру любой молекулы, которую можно кристаллизовать. Кристалл бомбардируется рентгеновскими лучами, они отражаются от атомов и рассеиваются. По величине угла рассеивания можно судить о структуре молекулы, но без базовых знаний о самой изучаемой молекуле одного этого метода было недостаточно, чтобы составить целостное представление об изучаемой структуре. Требуется дополнительная информация, так сказать, «детализация фазы», позволяющая судить о волновых свойствах молекулы. Решить проблему детализации было нелегко – в те годы лишь самые отчаянные ученые были готовы подступиться к ее решению, поскольку основные успехи дифракционного метода были достигнуты только на материале относительно простых молекул.

Морис Уилкинс в Кингс-Колледже, Лондон

Я почти ничего не ожидал от этой конференции. Думал, что представление о трехмерной структуре белка или, если уж на то пошло, молекулы ДНК удастся получить не ранее, чем через десятилетие. Первые фотографии ДНК при рентгеновском излучении были удручающими. Стало ясно, что ДНК – особенно крепкий орешек, секреты которого вряд ли удастся открыть таким методом. Результаты казались предсказуемыми, поскольку было ожидаемо, что конкретные последовательности нуклеотидов в ДНК отличаются от молекулы к молекуле. Из-за этого поверхностная конфигурация разных молекул ДНК должна была различаться, что по понятным причинам не позволяло бы длинным и тонким цепочкам ДНК укладываться бок о бок ровным слоем и образовывать правильные узоры, необходимые для успешного анализа методом рентгеновской дифракции.

С учетом вышеперечисленных обстоятельств заключительное выступление о ДНК, сделанное тридцатичетырехлетним англичанином по имени Морис Уилкинс с биологического факультета Кингс-Колледжа в Лондоне, стало для меня удивительно приятным сюрпризом. Уилкинс был физиком, во время войны работал в Манхэттенском проекте. Для него, как и для многих других ученых – участников этой программы, факт атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, по сути, кульминация их работы, привел к полному краху иллюзий. Морис Уилкинс подумывал вообще бросить науку и стать живописцем в Париже, но заинтересовался биологией. Он также читал книгу Шрёдингера и попробовал прозондировать ДНК при помощи методов рентгеновской дифракции.

Пока я продолжал брать то один, то другой ложный след, дома, в Америке, величайший в мире химик Лайнус Полинг, работавший в Калифорнийском технологическом институте, объявил о большом триумфе: он обнаружил, в какой именно последовательности располагаются цепочки аминокислот (так называемые полипептиды) в белках. Эту структуру он назвал α-спираль (альфа-спираль). Никого не удивляло, что такой прорыв совершил именно Полинг: ведь среди ученых он был звездой первой величины. Его книга «Природа химических связей» фактически заложила основы современной химии, а для химиков тех времен была настоящей библией. Полинг рос вундеркиндом: когда ему было девять, его отец-аптекарь писал в газету Oregonian («Орегонец»), какие публикации были бы интересны его начитанному сыну, отмечая, что тот уже прочел Библию и книгу «О происхождении видов» Дарвина. Однако отец Полинга рано умер, оставив семью в бедственном положении, поэтому весьма примечательно, что перспективный юноша смог вообще получить образование.

Вернувшись в Копенгаген, я прочел об α-спирали, открытой Полингом. К моему удивлению, его модель оказалась не дедуктивной экстраполяцией на основе экспериментов с рентгеновской дифракцией. Напротив, Полинг наработал большой опыт в сфере анализа химических структур и, опираясь на этот опыт, попытался описать, какую форму должна иметь спиралевидная укладка полипептидной цепи с учетом базовых химических характеристик молекулы. Полинг по-разному складывал масштабные модели различных частей белковой молекулы, прорабатывая вероятные трехмерные варианты расположения. Как только он сократил проблему до трехмерного пазла – получилось просто и одновременно блестяще.

Теперь оставалось выяснить, насколько α-спираль реалистична – при том что в красоте ей было не отказать. Ответ я нашел уже через неделю. Англичанин Лоуренс Брэгг, изобретатель рентгеновской кристаллографии и лауреат Нобелевской премии по физике 1915 года, приехал в Копенгаген и с воодушевлением сообщил, что его младший коллега, химик австрийского происхождения Макс Перуц, хитроумно использовав синтетические полипептиды, смог подтвердить, что предложенная Полингом форма в виде α-спирали действительно реальна. Для сотрудников Брэгга из Кавендишской лаборатории это был триумф с нотками горечи, поскольку годом ранее они, образно выражаясь, «не попали в цель», опубликовав статью, в которой описывали возможные варианты спиралевидной свертки полипептидных цепей.

Лоуренс Брэгг (слева) рядом с Лайнусом Полингом, который держит модель α-спирали

К тому моменту Сальвадор Лурия уже предварительно договорился, чтобы мне выделили вакансию исследователя в Кавендишской лаборатории. Она находится в Кембридже и является самой знаменитой лабораторией во всей истории науки. Именно здесь Эрнест Резерфорд впервые описал строение атома. Теперь здесь хозяйничал Брэгг, а мне предстояло поступить в обучение к английскому химику Джону Кендрю, который пытался построить трехмерную структуру белка миоглобина. Сальвадор Лурия посоветовал мне как можно скорее появиться в Кавендишской лаборатории. Кендрю был в США, поэтому принять меня в лаборатории должен был Перуц. Ранее Кендрю и Перуц совместно организовали в Кембридже «Лабораторию молекулярной биологии» по изучению структуры биологических систем.

Когда через месяц мы встретились с Перуцем в Кембридже, он заверил меня, что я быстро и без труда смогу освоить теоретический минимум по методам рентгеновской дифракции и легко впишусь в коллектив, уже работающий в этом направлении. К моему облегчению, он не стал отметать мое биологическое образование, равно как и Лоуренс Брэгг, который наведался к нам из своего кабинета, чтобы на меня посмотреть.

Когда я в начале октября вернулся в Кембриджскую лабораторию молекулярной биологии, мне было двадцать три года. Оказалось, что кабинет биохимии мы будем занимать вместе с бывшим физиком Френсисом Криком, которому было тридцать пять. В войну он занимался разработкой магнитных мин для Военно-морского флота. По окончании войны Крик планировал продолжить исследования в области оборонных исследований, но, прочитав книгу Шрёдингера «Что такое жизнь?», сосредоточился на биологии. Теперь он работал в Кавендишской обсерватории и готовил диссертацию, посвященную трехмерной структуре белковых молекул.

Крик при решении проблемы всегда пытался изучить все до тонкостей. В детстве он доводил родителей до изнурения бесконечными вопросами, и они купили ему детскую энциклопедию, надеясь таким образом удовлетворить его любопытство. Но ему от этого стало лишь тревожнее: как-то раз он поделился со своей мамой опасениями, что, пока он вырастет, все уже будет открыто и ему не останется никакой работы в науке. Мама заверила его (и, как оказалось, не ошиблась), что пара интересных открытий на его долю обязательно выпадет.

Френсис Крик с кавендишской рентгеновской трубкой

Крик был словоохотлив и неизменно становился душой любой компании. Его раскатистый смех то и дело сотрясал коридоры Кавендишской лаборатории. Будучи штатным теоретиком в Лаборатории молекулярной биологии, он обычно выдавал блестящую идею не реже раза в месяц и любил подробно объяснять свою свежую идею всем, кто был готов его слушать. В то утро, когда мы познакомились, он просто просиял, узнав, что я приехал в Кембридж с намерением как следует изучить кристаллографию и взяться за изучение структуры ДНК. Вскоре я поинтересовался у Крика, как он смотрит на то, чтобы попытаться воспроизвести эту структуру в духе полинговского моделирования. Придется ли еще много лет заниматься дифракцией, пока эти эксперименты перейдут из теоретической плоскости в практическую? Чтобы мы поскорее набрали темп изучения структуры ДНК, Крик подключил к делу Мориса Уилкинса, с которым дружил еще с военных лет. Он пригласил Уилкинса заглянуть к нам из Лондона на воскресный ланч. Тогда мы и смогли узнать, каких успехов Уилкинс добился уже после лекции в Неаполе.

Сноски