Je tomu padesát let, co 25. dubna 1953 James Watson a Francis Crick publikovali krátký dopis ve vědeckém časopise
Nature
. Popisoval pozoruhodnou spirálovitou dvojvlákennou stavbu DNA - genetického materiálu živých organismů. Jejich dvojšroubovitý model nabízel klíč k pochopení, jak živé buňky mohou vytvářet dvě shodné kopie sebe sama a jak genetický materiál uchovává veškeré informace pro syntetickou produkci bílkovin, jichž je třeba při stavbě živého organismu.
Další významný pokrok učinil o několik měsíců později Max Perutz, když objevil způsob určení stavby makromolekul, jako je myoglobin a hemoglobin. Od té doby nám rentgenová strukturní analýza molekul bílkovin pomáhala rozumět chemické podstatě biologických reakcí.
K oběma objevům - objevu struktury DNA a struktury bílkovin - došlo v Cavendishově laboratoři na Cambridgeské univerzitě. Proč byly tyto dva základní kameny revoluce v biologii a medicíně, jež dominovaly vědě ve druhé polovině 20. století, objeveny v britské
fyzikální
laboratoři?
Tyto průlomové úspěchy roku 1953 se opíraly o kvalitu experimentální fyziky v Cambridgi, jejíž počátky sahají do konce 19. století. Tato tradice utvářela intelektuální prostředí, v němž se vzdělával tým otce a syna Williama a Lawrence Braggových a kde Lawrence Bragg - nejprve jako posluchač a později jako doktorand - rozvinul roku 1912 myšlenky, které vyústily v rentgenovou strukturní analýzu.
Přestože difrakci paprsků X na krystalech objevili Max von Laue, Walter Friedrich a Paul Knipping, byl to Lawrence Bragg, kdo pochopil, jak by jí šlo vědecky využít. Odraz prostřednictvím ,,Braggových rovin" - vrstev atomů, jež dokáží ohýbat paprsky X pod konkrétními úhly, které závisí na odstupu mezi vrstvami - Braggům umožnil vypočítat přesné uspořádání sodíkových a chloridových atomů v krystalu soli.
William Bragg v Cambridgi dokončil studium matematiky roku 1884 a stal se profesorem fyziky v Adelaide v Austrálii. V roce 1909 se vrátil do Británie, aby pracoval na univerzitě v Leedsu a pokračoval ve svém zkoumání podstaty paprsků X. Roku 1923 se stal ředitelem Královské společnosti v Londýně, kam přilákal několik vynikajících mladých vědců zajímajících se o oblast paprsků X. Mezi nimi byli i dva čerství absolventi Cambridgeské univerzity, William Astbury a John Desmond Bernal, kteří se začali zabývat problematikou stavby bílkovin - Astbury poté, co jej Bragg požádal, aby pořídil rentgenové snímky vlny a hedvábí.
Access every new PS commentary, our entire On Point suite of subscriber-exclusive content – including Longer Reads, Insider Interviews, Big Picture/Big Question, and Say More – and the full PS archive.
Subscribe Now
Bernal se roku 1927 přestěhoval zpět do Cambridge, kde působil jako lektor strukturální krystalografie, a v roce 1931 byl povýšen na zástupce vedoucího výzkumu na úseku krystalografie, tehdejším pododdělení Cavendishovy laboratoře. Bernalovým hlavním vědeckým zájmem byla zpočátku atomová stavba krystalů, kovů a minerálů a později hormonů a sterolů - a také některých aminokyselin, stavebních prvků bílkovin.
Astbury se mezitím roku 1928 přestěhoval do Leedsu, kde také začal pracovat na aminokyselinách a bílkovinách. Popsal Bernalovi své neúspěšné pokusy o získání uspořádaných rentgenových difrakčních obrazů z krystalů bílkoviny nazývané pepsin a dotazoval se, zda by mu mohl pomoci získat krystaly jiných bílkovin. Bernalův přítel Glenn Millikan už dříve navštívil laboratoř ve švédské Uppsale, kde byly vytvořeny velké krystaly pepsinu, a několik těchto krystalů - v jejich matečném roztoku - přivezl do Cambridge.
Bernal a Dorothy Crowfootová (později Hodgkinová) vytvořili obrazy suchých krystalů s obdobně neuspokojivými výsledky jako Astbury. Při pozorování krystalů pod světelným mikroskopem si ovšem Bernal povšiml, že když se z krystalické mřížky odpařilo velké množství vody, krystaly se staly neuspořádanými. Zopakovali rentgenový pokus, tentokrát ovšem s krystalem v matečném roztoku utěsněném ve skleněné kapiláře, a získali obrazy s velkým množstvím krystalických odrazů.
Výsledky tohoto prvního určujícího okamžiku v krystalografii bílkovin byly zveřejněny jako dopis v časopise
Nature
roku 1934. Astbury předpokládal existenci polypeptidických řetězců a pokračoval v uskutečňování svých průkopnických studií v oblasti jejich uspořádání ve fibrilárních bílkovinách. Získal také první rentgenové snímky částečně orientovaných vzorků DNA.
Max Perutz, absolvent chemie z Vídně, přijel do Cambridge v roce 1935, aby pracoval s Bernalem jako postgraduální student. O rok později obdržel vynikající krystaly hemoglobinu a brzy vytvořil tehdy nejlepší rentgenové difrakční obrazy. Pozorovatelný difrakční obraz - tedy intenzita a pozice jednotlivých odrazů - představuje ale jen polovinu údajů potřebných k odvození struktury objektu způsobujícího ohyb. Řečeno matematicky, takový obraz udává amplitudu, ovšem nikoliv fáze - tj. etapy kmitavého pohybu - a bez nich nelze pozice atomů stanovit.
V případech jednodušších struktur sestávajících z nemnoha atomů dokázala chemie nabídnout významnou pomoc při určování atomového uspořádání a výsledek tedy bylo často možné najít metodou pokusu a omylu. Bílkoviny, které obsahují tisíce atomů, byly ale pro takový způsob práce příliš složité. To byl důvod, proč i přes ohromné množství skvělých znalostí, jež byly shromážděny, zůstávalo řešení dráždivě mimo obzor.
Nadále se ovšem věřilo, že z rentgenových obrazů je možné nějak získat podrobné informace o struktuře bílkovin, že jde jen o to zjistit jak. Bylo zcela přirozené, že tam, kde chemie neuspěla, fyzika - a její přední laboratoř - našla cestu vpřed, cestu, kterou vytyčili Watson a Crick svým impozantním průlomovým úspěchem, který si připomínáme tento měsíc.
To have unlimited access to our content including in-depth commentaries, book reviews, exclusive interviews, PS OnPoint and PS The Big Picture, please subscribe
The US retirement system is failing American workers. But after decades of pushing fake fixes – especially forcing people to work longer – US policymakers have an opportunity to make real progress in bolstering Americans' economic security in old age.
proposes a Grey New Deal that would boost economic security for all US workers in old age.
From a long list of criminal indictments to unfavorable voter demographics, there is plenty standing between presumptive GOP nominee Donald Trump and a second term in the White House. But a Trump victory in the November election remains a distinct possibility – and a cause for serious economic concern.
Je tomu padesát let, co 25. dubna 1953 James Watson a Francis Crick publikovali krátký dopis ve vědeckém časopise Nature . Popisoval pozoruhodnou spirálovitou dvojvlákennou stavbu DNA - genetického materiálu živých organismů. Jejich dvojšroubovitý model nabízel klíč k pochopení, jak živé buňky mohou vytvářet dvě shodné kopie sebe sama a jak genetický materiál uchovává veškeré informace pro syntetickou produkci bílkovin, jichž je třeba při stavbě živého organismu.
Další významný pokrok učinil o několik měsíců později Max Perutz, když objevil způsob určení stavby makromolekul, jako je myoglobin a hemoglobin. Od té doby nám rentgenová strukturní analýza molekul bílkovin pomáhala rozumět chemické podstatě biologických reakcí.
K oběma objevům - objevu struktury DNA a struktury bílkovin - došlo v Cavendishově laboratoři na Cambridgeské univerzitě. Proč byly tyto dva základní kameny revoluce v biologii a medicíně, jež dominovaly vědě ve druhé polovině 20. století, objeveny v britské fyzikální laboratoři?
Tyto průlomové úspěchy roku 1953 se opíraly o kvalitu experimentální fyziky v Cambridgi, jejíž počátky sahají do konce 19. století. Tato tradice utvářela intelektuální prostředí, v němž se vzdělával tým otce a syna Williama a Lawrence Braggových a kde Lawrence Bragg - nejprve jako posluchač a později jako doktorand - rozvinul roku 1912 myšlenky, které vyústily v rentgenovou strukturní analýzu.
Přestože difrakci paprsků X na krystalech objevili Max von Laue, Walter Friedrich a Paul Knipping, byl to Lawrence Bragg, kdo pochopil, jak by jí šlo vědecky využít. Odraz prostřednictvím ,,Braggových rovin" - vrstev atomů, jež dokáží ohýbat paprsky X pod konkrétními úhly, které závisí na odstupu mezi vrstvami - Braggům umožnil vypočítat přesné uspořádání sodíkových a chloridových atomů v krystalu soli.
William Bragg v Cambridgi dokončil studium matematiky roku 1884 a stal se profesorem fyziky v Adelaide v Austrálii. V roce 1909 se vrátil do Británie, aby pracoval na univerzitě v Leedsu a pokračoval ve svém zkoumání podstaty paprsků X. Roku 1923 se stal ředitelem Královské společnosti v Londýně, kam přilákal několik vynikajících mladých vědců zajímajících se o oblast paprsků X. Mezi nimi byli i dva čerství absolventi Cambridgeské univerzity, William Astbury a John Desmond Bernal, kteří se začali zabývat problematikou stavby bílkovin - Astbury poté, co jej Bragg požádal, aby pořídil rentgenové snímky vlny a hedvábí.
Subscribe to PS Digital
Access every new PS commentary, our entire On Point suite of subscriber-exclusive content – including Longer Reads, Insider Interviews, Big Picture/Big Question, and Say More – and the full PS archive.
Subscribe Now
Bernal se roku 1927 přestěhoval zpět do Cambridge, kde působil jako lektor strukturální krystalografie, a v roce 1931 byl povýšen na zástupce vedoucího výzkumu na úseku krystalografie, tehdejším pododdělení Cavendishovy laboratoře. Bernalovým hlavním vědeckým zájmem byla zpočátku atomová stavba krystalů, kovů a minerálů a později hormonů a sterolů - a také některých aminokyselin, stavebních prvků bílkovin.
Astbury se mezitím roku 1928 přestěhoval do Leedsu, kde také začal pracovat na aminokyselinách a bílkovinách. Popsal Bernalovi své neúspěšné pokusy o získání uspořádaných rentgenových difrakčních obrazů z krystalů bílkoviny nazývané pepsin a dotazoval se, zda by mu mohl pomoci získat krystaly jiných bílkovin. Bernalův přítel Glenn Millikan už dříve navštívil laboratoř ve švédské Uppsale, kde byly vytvořeny velké krystaly pepsinu, a několik těchto krystalů - v jejich matečném roztoku - přivezl do Cambridge.
Bernal a Dorothy Crowfootová (později Hodgkinová) vytvořili obrazy suchých krystalů s obdobně neuspokojivými výsledky jako Astbury. Při pozorování krystalů pod světelným mikroskopem si ovšem Bernal povšiml, že když se z krystalické mřížky odpařilo velké množství vody, krystaly se staly neuspořádanými. Zopakovali rentgenový pokus, tentokrát ovšem s krystalem v matečném roztoku utěsněném ve skleněné kapiláře, a získali obrazy s velkým množstvím krystalických odrazů.
Výsledky tohoto prvního určujícího okamžiku v krystalografii bílkovin byly zveřejněny jako dopis v časopise Nature roku 1934. Astbury předpokládal existenci polypeptidických řetězců a pokračoval v uskutečňování svých průkopnických studií v oblasti jejich uspořádání ve fibrilárních bílkovinách. Získal také první rentgenové snímky částečně orientovaných vzorků DNA.
Max Perutz, absolvent chemie z Vídně, přijel do Cambridge v roce 1935, aby pracoval s Bernalem jako postgraduální student. O rok později obdržel vynikající krystaly hemoglobinu a brzy vytvořil tehdy nejlepší rentgenové difrakční obrazy. Pozorovatelný difrakční obraz - tedy intenzita a pozice jednotlivých odrazů - představuje ale jen polovinu údajů potřebných k odvození struktury objektu způsobujícího ohyb. Řečeno matematicky, takový obraz udává amplitudu, ovšem nikoliv fáze - tj. etapy kmitavého pohybu - a bez nich nelze pozice atomů stanovit.
V případech jednodušších struktur sestávajících z nemnoha atomů dokázala chemie nabídnout významnou pomoc při určování atomového uspořádání a výsledek tedy bylo často možné najít metodou pokusu a omylu. Bílkoviny, které obsahují tisíce atomů, byly ale pro takový způsob práce příliš složité. To byl důvod, proč i přes ohromné množství skvělých znalostí, jež byly shromážděny, zůstávalo řešení dráždivě mimo obzor.
Nadále se ovšem věřilo, že z rentgenových obrazů je možné nějak získat podrobné informace o struktuře bílkovin, že jde jen o to zjistit jak. Bylo zcela přirozené, že tam, kde chemie neuspěla, fyzika - a její přední laboratoř - našla cestu vpřed, cestu, kterou vytyčili Watson a Crick svým impozantním průlomovým úspěchem, který si připomínáme tento měsíc.