Таинственный геном человека. 5. Тайна жизни (Фрэнк Райан, 2015)

5. Тайна жизни

На первых страницах своей короткой, остроумной и до беспощадности честной автобиографии Джеймс Уотсон вспоминает о случайной встрече с Уилли Сидсом, которая произошла в 1955 году у подножия ледника в Швейцарии. Это произошло через два года после публикации работы об открытии ДНК. Уотсон и Сидс были знакомы – Сидс работал вместе с Морисом Уилкинсом и исследовал оптические свойства волокон ДНК. Уотсон ожидал вежливой беседы, но Сидс всего лишь буркнул: «Как поживает честный Джим?» Судя по всему, эта история глубоко задела Уотсона, так как он не только запомнил ее, но даже подумывал назвать автобиографию «Честный Джим». Правда, впоследствии он остановился на более описательном варианте – «Двойная спираль». Возможно, бывший коллега сомневался, имеет ли Уотсон право считаться одним из первооткрывателей секрета жизни.

Уотсон вспомнил, как несколько лет назад встречался с Уилли Сидсом в Лондоне. В то время, по его словам, «ДНК все еще была загадкой, над которой билось множество умов… Как один из победителей этой гонки я знал, что за ней лежала совсем не простая история, по крайней мере, не такая, как ее подавали газеты». И действительно, реальность была куда любопытнее. Например, его партнер по исследованиям Фрэнсис Крик признавал, что ни он, ни сам Уотсон не должны были работать с ДНК. Удивительно и то, что до самого дня открытия ни Крик, ни Уотсон не внесли никакого вклада во множество научных тем и обсуждений, которые, будучи совмещенными друг с другом, как кусочки удивительной трехмерной головоломки, впервые в истории выявили молекулярную природу ДНК.

Приезд Уотсона в кембриджскую лабораторию был образцовым примером английского гостеприимства с его полным отсутствием формальностей. Молодой ученый прибыл в кабинет Перуца прямо с железнодорожной станции. Уотсон волновался, что почти ничего не знает о рентгеновской дифракции, но Перуц тут же его успокоил. И Перуц, и Кендрю были химиками по образованию, но тем не менее пробились в эту область науки. Уотсону нужно было всего лишь прочесть пару статей, чтобы ознакомиться с основами темы. На следующий день Уотсона представили седому сэру Лоуренсу, который дал ему формальное разрешение на начало работ под своим руководством. Затем Уотсон вернулся в Копенгаген, чтобы собрать вещи и рассказать Герману Калькару о своей удаче. Кроме того, он написал в Вашингтон в офис, занимающийся распределением стипендии Мерка, чтобы сообщить о смене планов. Через десять дней после возвращения в Кембридж он получил ужасное известие. Новый директор стипендиального фонда Мерка требовал, чтобы Уотсон отказался от своих планов, так как он не обладал достаточной квалификацией для работы кристаллографом. Ему предписывалось ехать в Стокгольм и заняться там физиологией клеток. Уотсон решил еще раз обратиться к Лурии.

Разумеется, Уотсон не собирался выполнять новые инструкции. Даже в самом худшем случае он мог бы прожить еще целый год на тысячу долларов, оставшуюся от прошлогодней стипендии. Когда хозяйка квартиры, которую снимал Уотсон, выгнала его, ему помог Кендрю, выделив молодому коллеге в своем доме крошечную комнату, где постоянно было очень сыро, а древний электрический обогреватель не справлялся с влажностью. Пускай подобное жилье открывало прямую дорогу к туберкулезу, этот вариант был все-таки лучше, чем те, которые Уотсон мог бы себе позволить в бедственном положении. Кроме того, он обнаружил для себя источник утешения: «Я понял, как интересно может быть разговаривать с Фрэнсисом Криком».

И они начали разговаривать. Крик вспоминал об этом так: «Мы с Джимом тут же нашли общий язык, частично благодаря тому, что у нас оказались общие интересы, а частично, как я подозреваю, из-за определенного юношеского запала, беспощадности и нетерпимости к глупости, которая присутствовала в обоих из нас». В результате бесед, продолжавшихся по два-три часа в день в течение двух лет, была раскрыта самая важная тайна в истории биологии – молекулярная основа наследственности.

Для того чтобы понять, как это произошло, нам нужно проанализировать несколько базовых условий. Во-первых, у нас есть двое молодых и амбициозных ученых (Уотсону на этот момент всего 23 года, Крику – 35), которые невероятно умны и стремятся к высочайшим научным достижениям. Уотсон заинтересован, если не одержим, структурой ДНК и потенциальным объяснением механизмов работы генов и хранения наследственного материала с ее помощью. Крик имеет немного другие интересы, но это различие очень важно. Его привлекает не ДНК, не гены сами по себе, но роль ДНК в объяснении того, как загадочные молекулярные коды (апериодические кристаллы) Шрёдингера не только сохраняют наследственную информацию, но и передают ее между собой от генов к другим апериодическим кристаллам, которые определяют структуру белка.

Впоследствии Крик вспоминал, как Уотсон приехал в лабораторию в начале октября 1951 года. В то время он вместе со своей второй женой, француженкой Одиллией, жил в крошечной ветхой квартирке с зеленой дверью, доставшейся ему от семьи Перуцев. Квартира была удобно расположена в центре Кембриджа в нескольких минутах ходьбы от Кавендишской лаборатории. Это было все, что Крик мог себе позволить на свою исследовательскую стипендию. «Зеленая дверь», как называли эту квартиру, состояла из мансарды, нависавшей над домом торговца табаком, «двух с половиной комнат» и небольшой кухни, в которую нужно было подниматься по крутой лестнице на заднем дворе дома того же табачника. Две комнаты использовались как гостиная и спальня Крика и Одиллии, а еще половина была отдана сыну Крика Майклу (от первого брака с Рут Дорин) и использовалась, когда тот возвращался домой из школы. Комната для умывания и туалет находились на лестничной площадке, а ванна с откидной крышкой стояла прямо в кухне.

Однажды Перуц внезапно привел в эту квартиру Уотсона. Крика в этот момент не было дома, но Одиллия рассказала ему, что заходил Макс вместе с «молодым лысым американцем». На самом деле Уотсон был подстрижен «под бокс», но в Англии того времени такой стиль был неизвестен. Уотсон и Крик встретились через пару дней: «Я помню, как мы разговаривали в первые дни знакомства – просто болтали обо всем на свете».

Оба ученых были на мели, но деньги мало их интересовали. Важен был лишь возникший между ними глубоко личный интеллектуальный союз. Крик привнес в него страсть к решению сложных задач и несколько высокомерную веру в то, что даже у такой серьезной проблемы, к которой они готовы были приступить, имеется ответ. Уотсон, мало знавший о рентгеновской кристаллографии, поделился огромным количеством знаний о способах работы генов – плодами бактериологических исследований Лурии и Дельбрюка. Впоследствии Перуц утверждал, что появление Уотсона в Кавендишской лаборатории именно в это время было большой удачей, так как оно буквально гальванизировало Крика, а также добавило экзотический на тот момент генетический аспект к преобладавшим в лаборатории физике и химии. Кроме того, несмотря на разницу в образовании, Крик и Уотсон с одинаковым любопытством относились к загадке, лежащей в самой основе биологии. Буквально с первой встречи они были готовы совместно разгадать тайну гена.

Первым шагом было осознание того, что ответ заключается в ДНК. Если говорить точнее, Уотсон и Крик поняли, что химическая структура должна каким-то образом отражать функцию. А значит, для того, чтобы раскрыть эту тайну, требовалось знать трехмерную структуру ДНК. Однако ее форма была неизвестна ученым того времени. На тот момент Крик и Уотсон не имели о структуре ДНК даже самого туманного представления.

Научным открытиям обычно предшествует длительная лабораторная работа. Каждая крупица знаний добывается с трудом из нескольких (или гораздо большего количества) источников. Во многом поиски ответа на загадку наследственности происходили именно так. Но Уотсон и Крик отказывались идти по пути скучных лабораторных экспериментов и постепенного накопления информации, предоставляя это делать другим. Еще одним важным ингредиентом научного успеха, на котором строился симбиоз Уотсона и Крика, было творческое начало – дар, который играет в науке такую же огромную роль, как и в искусстве.

Во внутренней иерархии лаборатории Крик и Уотсон считались наименее продуктивными. Крик писал: «Я был всего лишь лаборантом, а Джим – и вовсе просто гостем». Они много читали, усваивая результаты тяжелого труда других, разговаривали без конца, думали вслух, проверяли идеи и знания друг друга на прочность. Крик очень часто играл роль адвоката дьявола. Они так много сплетничали и обсуждали, что, несмотря на отсутствие свободных помещений в Кавендишской лаборатории, им даже выделили отдельную комнату, чтобы они не мешали работе старших коллег. Рентгеновская лаборатория с ее тяжелым оборудованием и средствами защиты от радиации располагалась в подвале. Джим и Фрэнсис часто дешево, но весело обедали «пастушьим пирогом» или сосисками и бобами в местном пабе The Eagle – грязноватом заведении в мощеном закоулке. Их научные дебаты обычно не останавливались и здесь.

О ДНК они знали очень мало, и ситуация еще больше усложнялась тем, что Крик полагал большую часть информации о связи ДНК и наследственности неверной. Именно это отношение и привело к возникновению проблем с Брэггом, ведь оно означало, что Крик не доверяет результатам работы старших товарищей по лаборатории. Но настоящей причиной злости Брэгга было открытие химиком Полингом альфа-спирали белка. Крик был уверен, что неудача Кавендишской лаборатории объяснялась результатами более ранних экспериментов с рентгеновским анализом кератина, белка кожи, который также является основным составляющим веществом человеческих ногтей и когтей у животных. Разговор, который впоследствии вспоминал Крик, демонстрирует его образ мышления: «Я пытаюсь сказать, что [так называемые] свидетельства могут быть крайне ненадежными, и поэтому их нужно использовать по минимуму. У нас есть три или четыре факта, и мы не знаем, на какой из них можно положиться…[Что если мы] отбросим вот этот… Тогда можно посмотреть на остальные и попытаться их интерпретировать».

Уотсон начал работу в Кавендишской лаборатории в 1951 году, когда Лайнус Полинг опубликовал свою работу об альфа-спирали белка. Это открытие так потрясло Уотсона, что в течение всего времени работы с Криком над структурой ДНК он постоянно озирался на Полинга.

И у него были все основания считать того своим главным конкурентом. Полинг, получивший Нобелевскую премию по химии в 1954 году, уже превозносился историками науки как один из самых влиятельных химиков на свете. Его лучшей (хотя и не единственной блестящей) идеей стало применение квантовой теории к химическим связям атомов в молекулах, в частности, в сложных органических соединениях – кирпичиках, из которых выстроена сама жизнь.

ХХ век стал временем поразительных достижений в астрономии. Ученые исследовали звезды, галактики и черные дыры, узнали о существовании сил, управляющих Вселенной. Столь же важными, хотя и не нашедшими такого широкого признания у общественности, были достижения химиков и биохимиков в изучении микромира атомов и молекул. Атомы в молекулах жизни соединяются между собой двумя типами связей. Один из них называется ковалентной, а второй – водородной связью. Полинг применил к силам, участвующим в формировании этих связей, принципы квантовой механики.

Перед нами не стоит задача постичь сложные математические основы прикладной физики – нам нужно понять лишь базовые механизмы. Проще всего разобраться с ними на примере знакомой всем нам молекулы воды.

Всем известно, что химическая формула воды – H₂O. Это означает, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Но как они связываются между собой, формируя стабильное вещество, с которым мы сталкиваемся ежедневно? Молекулу воды можно сравнить с планетой (атом кислорода), вокруг которой вращаются две луны (атомы водорода). Пользуясь такой моделью, легко представить, как сила гравитации удерживает водородные луны на орбитах вокруг кислородной планеты. В молекулярных масштабах сила, притягивающая два атома водорода к атому кислорода, называется ковалентной связью. Если мы рассмотрим атом на ультрамикроскопическом уровне, то увидим, что в ядре каждого атома водорода содержится один положительно заряженный протон, а вокруг ядра вращается один отрицательно заряженный электрон. Ядро атома кислорода содержит восемь положительно заряженных протонов, а по орбитам вокруг него движутся восемь электронов с отрицательным зарядом. Эти электроны расположены на двух орбитах: два – на внутренней и шесть – на внешней. При формировании молекулы воды два электрона, вращающиеся вокруг ядер атомов водорода, совмещаются с двумя из шести электронов, находящихся на внешней орбите атома кислорода. Спаренные электроны продолжают притягиваться к протонам своих ядер и, таким образом, оказываются соединенными как с ядрами атомов водорода, так и с ядром атома кислорода. Такое совмещенное притяжение формирует стабильную ковалентную связь между двумя атомами, точно так же, как и сила гравитации создает стабильные орбиты двух лун, вращающихся вокруг нашей воображаемой кислородной планеты.

Водородные связи действуют по-другому. Снова возьмем для примера молекулу воды, но теперь рассмотрим взаимодействие между самими молекулами. Между молекулами, содержащими водород и более тяжелые атомы, например азот, кислород или фтор, возникают силы притяжения, более слабые и менее стабильные, чем ковалентные связи. Молекулы воды состоят из водорода и кислорода, поэтому между ними формируются водородные связи. Плотность связей между молекулами объясняет разницу между водой в газообразной (пар), жидкой и твердой (лед) форме. Когда вода находится в твердом состоянии, ее молекулы, соединенные водородными связями, формируют нечто вроде кристалла. В жидкой воде водородные связи могут соединять разное количество молекул. В паре за счет добавления дополнительной тепловой энергии водородные связи разрываются, в то время как ковалентные связи, скрепляющие атомы внутри молекул, остаются неизменными.

Итак, водородные связи слабы и нестабильны при нагревании, а на ковалентных связях оно не отражается. Такие же два типа связей присутствуют в структуре органических соединений, например белков. Кроме того, они важны и для понимания строения ДНК.

За период с 1927 по 1932 год Полинг опубликовал около 50 научных работ, в которых описывал проведенные им дифракционные исследования, совмещенные с теоретическими расчетами в области квантовой механики. Эти исследования позволили ему вывести пять правил, известных сейчас как правила Полинга и позволяющих ученым предсказывать характер связей, соединяющих атомы в молекулах. Как минимум три из этих правил были основаны на трудах Брэгга, и подобное присвоение чужих результатов повергало того в ярость. Вражда между двумя учеными была неизбежна. Труды Полинга в области химических связей были настолько необычными, что в 1954 году он удостоился Нобелевской премии. Новый уровень понимания позволил Полингу точно визуализировать форму и параметры молекул в трехмерном пространстве. В Калтехе Полинг применил свои знания вместе с технологиями рентгеновской дифракции, разработанными Брэггом, к крупным белковым молекулам. Например, он доказал, что молекула гемоглобина (предмет исследований Перуца) меняет физическое строение после присоединения или утраты атома кислорода. На этом Полинг не остановился, и его исследования молекулярной структуры белков продолжились.

Первые рентгеновские изображения волокнистых белков были получены за несколько лет до этого в университете Лидса Уильямом Томасом Астбери, физиком, присутствовавшим на лекции Уилкинса в Неаполе. Именно на них строились предположения, которые Крик подвергал сомнению в Кавендишской лаборатории. В течение многих лет Полинг пытался применить квантовые расчеты к рентгенограммам Астбери, но результаты никак не сходились. Ему и двум его коллегам, Роберту Кори и Герману Брэнсону, потребовалось 14 лет, чтобы достичь желаемого прорыва.

Базовая структура всех белков строится на основе аминокислотного кода, «буквами» которого являются двадцать разных аминокислот. Химические связи, соединяющие аминокислоты в первичную цепь, называются пептидными связями. Полинг и его коллеги увидели, что пептиды соединяются между собой в двухмерной плоскости (такая связь называется плоскостной). Из-за устаревшего оборудования Астбери сделал серьезную ошибку при создании рентгенограмм: молекулы белков на них отклонились от естественных плоскостей, что затрудняло математическую экстраполяцию их структуры. Исправив ошибку Астбери, Полинг обнаружил, что по мере роста цепочки аминокислот формирующаяся базовая структура белка начинала напоминать витую пружину, закручивающуюся вправо, – так называемую альфа-спираль. Это открытие поразило Уотсона, вернувшегося из Неаполя.

В это время в Кембридже сэр Лоуренс Брэгг был крайне разочарован, что группа Полинга обошла его сотрудников и первой открыла структуру белка. Хотя у этой ситуации была и обратная сторона: Перуц использовал открытие Полинга, чтобы переоценить всю свою работу над молекулой гемоглобина. Эта переоценка в итоге помогла ему раскрыть структурную тайну гемоглобина и обеспечила получение Нобелевской премии по химии в 1963 году. Работа Полинга также заставила насторожиться Уотсона. Сразу по прибытии в Кембридж он понял, что у них с Криком имеется весьма знающий и могущественный соперник в гонке за следующим открытием – трехмерной структурой ДНК.

Как отмечал Крик в ежедневных беседах и дискуссиях с Уотсоном, их главная проблема состояла в том, что они не могли полагаться на полученные Полингом результаты. «Данные могут быть ложными. Данные могут увести тебя в неверном направлении», – говорил он. Скептически глядя на общепринятые экспериментальные данные, Уотсон и Крик попытались создать свою физическую модель. Иными словами, они полагались на существующую информацию в той же степени, что и на творческие порывы собственного воображения.

Партнеры начали задаваться вопросом, может ли ДНК, как и белки, иметь спиральную структуру. В частности, Уотсон предлагал воспользоваться методом Полинга, который любил строить трехмерные модели изучаемых молекул. Для этого, как и Полингу, им нужно было задуматься об атомной структуре ДНК и собрать своего рода сложную трехмерную головоломку из атомов и связей между ними. Ученые знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре нуклеотида (гуанин, аденин, цитозин и тимин), а также молекула сахара рибозы и неорганическое вещество фосфат. Составив их вместе в правильном порядке, Уотсон и Крик должны были прийти к разгадке занимавшей их тайны.

Теперь перед Уотсоном и Криком стояли два важных вопроса. Во-первых, если ДНК имеет спиралевидную структуру, то какая именно спираль имеется в виду. Во-вторых, как именно в подобное строение вписывается молекула фосфата. Фосфат кальция входит в состав костей, раковин и известняка – камня, сформировавшегося из останков древних морских организмов. Присутствие фосфата указывало на укрепление цепочки ДНК, на своего рода химические «леса», или, может быть, ось. Но как она может располагаться относительно пока неизвестной нам спирали? Где и как в этой структуре появляется сахар? Сам код, очевидно, должен записываться нуклеотидами, играющими роль букв. Каждый ингредиент важен сам по себе. Но каким образом они объединялись в более или менее осмысленное целое?

Ответ на этот вопрос могли подсказать дифракционные паттерны. А значит, Уотсону и Крику требовалась помощь Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин (Рози, как Уотсон называет ее в своей автобиографии), которые проводили рентгенологические исследования волокон ДНК в лондонском Кингс-колледже.

Розалинд Элси Франклин родилась в 1920 году в Лондоне в богатой еврейской семье. С раннего детства она была смышленой и настойчивой – в самом деле, имела хорошие научные задатки. Кроме того, она обладала боевым, если не агрессивным характером, который не всегда был полезен, учитывая, как предвзято тогда относились к евреям и женщинам в высшем образовании и науке. Не помогало и то, что отец, человек с таким же взрывным темпераментом, не одобрял ее попыток сделать карьеру в науке. На второй год пребывания Розалинд в кембриджском Ньюхэм-колледже он, угрожая урезать содержание, потребовал, чтобы она бросила учебу и занялась практической работой для помощи стране в военное время. Только при поддержке матери и тетушки Розалинд смогла успокоить отца и продолжить обучение.

Франклин занималась физической химией, и ее учебный курс включал лекции, множество материалов для чтения, лабораторные эксперименты в области физики и химии, а также математику, применимую ко всем этим отраслям знания. Одним из обязательных текстов для студентов была работа Лайнуса Полинга «Природа химической связи».

Молодая Розалинд была очень разочарована, когда получила вторую, а не первую степень бакалавра наук в 1941 году. Тогда женщины-ученые сталкивались с такой дискриминацией, что ей и другим выпускницам Ньюхэм-колледжа пришлось ожидать формального присвоения степени до 1947 года, все это время оставаясь в полном неведении относительно того, произойдет ли это когда-нибудь.

Как и Фрэнсис Крик, во время Второй мировой войны Франклин работала на национальную армию. В рамках своей докторской работы она изучала плотность и пористость угля для определения эффективности разных его типов в качестве топлива. После окончания войны она продолжила труды в этом направлении в Государственной центральной лаборатории химических исследований в Париже под руководством Жака Меринга. Он и познакомил Розалинд с рентгеновской кристаллографией, которую применял для изучения волокон, например искусственного шелка. Меринг выглядел как «типичный соблазнительный француз» с «высокими татарскими скулами, зелеными глазами и волосами, залихватски зачесанными поверх залысин». Тем не менее Розалинд с удивлением обнаружила, что он был евреем. Судя по всему, молодая и все еще наивная девушка влюбилась в Меринга. На тот момент он был женат, но его жены «нигде не было видно».

Бренда Мэддокс, одна из биографов Франклин, обращает внимание на то, что самые творческие работы и продуктивные исследования удавались Розалинд в сотрудничестве с коллегами мужского пола и еврейского происхождения. Очевидно, Меринга также привлекла элегантная стройная молодая женщина с блестящими черными волосами и сверкающими глазами. Они проводили целые дни за обсуждениями возможных значений рентгеновских изображений и спорами об атомной структуре молекул.

Однако увлечение Франклин Мерингом было болезненно прервано в феврале 1951 года, когда она приняла предложение занять место научного сотрудника в биофизическом отделении Совета медицинских исследований в лондонском Кингс-колледже, которым руководил Джон Туртон Рэндалл. Ее назначение совпало с крупными послевоенными изменениями в департаменте, направленными на включение в него новой, только зарождающейся отрасли – биофизики. Точный характер и цель назначения Франклин были предметом споров, в частности, потому, что между первым предложением и принятием Франклин должности Рэндалл изменил описание вакансии. Изначально Розалинд согласилась участвовать в дифракционном исследовании белков, но затем, еще до подтверждения решения, Рэндалл написал ей и предложил сменить предмет исследований на ДНК. По словам Мориса Уилкинса, это было сделано по его инициативе. Но, как бы там ни было, Франклин согласилась. Ей предложили в помощники многообещающего выпускника Реймонда Гослинга. Проблема была лишь в том, что новое направление исследований было изначально сопряжено с рядом трудностей.

Конец ознакомительного фрагмента.