Путь к двойной спирали - структуре ДНК

Пятьдесят лет назад 25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали небольшую статью в научном журнале «Nature» (Природа). В ней описывалась поразительная двунитевая спиралевидная структура ДНК - генетического материала живых организмов. Их двуспиральная модель явилась разгадкой тайны того, как живые клетки могут производить две идентичные копии самих себя и как генетический материал сохраняет всю информацию для синтезирования белков, необходимых для создания живого организма.

Следующее большое достижение было сделано несколько месяцев спустя, когда Макс Перутц нашел способ определения структуры крупных молекул, таких как миоглобин и гемоглобин. С тех пор рентгеновский структурный анализ молекул белка помогает нам понять химию биологических реакций.

Оба этих открытия - структуры ДНК и структуры белка - были сделаны в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Так почему же открытия, произведшие революцию в биологии и медицине и обеспечившие им господствующее положение в науке во второй половине 20-го века, были сделаны в британской физической лаборатории?

Великие научные достижения 1953 года опирались на мощный фундамент экспериментальной физики в Кембриджском университете, заложенный еще в конце 19-го века. Это наследие сформировало интеллектуальную среду, в которой получили образование отец и сын - Уильям и Лоуренс - Брэгги, и где Лоуренс Брэгг - сначала студент университета, а потом его ученый-исследователь - выдвинул в 1912 году идеи, приведшие к рентгеноструктурному анализу.

И хотя Макс фон Лауэ, Уолтер Фридрих и Пол Книппинг и открыли дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах, именно Лоуренс Брэгг понял, как можно использовать это открытие. Отражение рентгеновских лучей от «плоскостей Брэгга» - слоев атомов, способных преломлять рентгеновские лучи под определенными углами, которые определяются расстоянием между слоями - позволило Брэггам высчитать точное расположение атомов натрия и хлорида в кристалле соли.

Уильям Брэгг закончил математический факультет Кембриджского университета в 1884 году и стал профессором физики в Аделаиде (Австралия). В 1909 году он вернулся в Великобританию, чтобы принять профессуру в Лидсе, продолжая свою работу над природой рентгеновских лучей. Он стал директором Королевского института в Лондоне в 1923 году, куда ему удалось привлечь нескольких выдающихся молодых ученых, работавших в том же направлении, что и он сам. Среди них были два недавних выпускника Кембриджского университета Уильям Эстбери и Джон Десмонд Бернал, которые заинтересовались проблемой структуры белка (Эстбери всерьез занялся этим вопросом после того, как Брэгг попросил его сделать рентгенограмму шерсти и шелка).

Subscribe to PS Digital
PS_Digital_1333x1000_Intro-Offer1

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

Бернал вернулся в Кембридж в качестве лектора по структурной кристаллографии в 1927 году, а в 1931 году был назначен помощником директора исследования в области кристаллографии, к тому времени уже относившейся к Кавендишской лаборатории. Основной научный интерес для Бернала на первых порах представляла атомная структура кристаллов, металлов и минералов, а затем уже гормонов и стеринов, а также некоторых аминокислот - основных составляющих белков.

Тем временем Эстбери переехал в 1928 году в Лидс, где также начал работать над аминокислотами и белками. Описывая свои неудачные попытки получить упорядоченные рентгенограммы кристаллов белка пепсина, он поинтересовался, не может ли Бернал помочь ему достать кристаллы других белков. Случилось так, что друг Бернала по имени Гленн Милликан побывал до этого в лаборатории в Упсале (Швеция), где были получены крупные кристаллы пепсина, и привез несколько таких кристаллов, все еще находившихся в своем маточном растворе, в Кембридж.

Бернал и Дороти Кроуфут (впоследствии Ходжкин) получили рентгенограммы сухих кристаллов так же, как и Эстбери, и с такими же неутешительными результатами. Но когда Бернал стал рассматривать кристаллы под оптическим микроскопом, он заметил, что после того, как из кристаллической решетки испарилось большое количество воды, упорядоченность атомов в кристалле нарушилась. Они повторили эксперимент, но с кристаллом, находящимся в своем маточном растворе в герметичной стеклянной пробирке, получив рентгенограммы с большим количеством кристаллических отражений.

Результаты этого первого значительного открытия в кристаллографии белков были опубликованы в журнале «Nature» в 1934 году. Установив наличие полипептидовых цепочек, Эстбери продолжил свои изыскания, стремясь получить их конфигурации в волокнистых белках. Он также получил первые рентгенограммы частично ориентированных образцов ДНК.

Макс Перутц - химик из Вены - приехал в Кембридж в 1935 году, чтобы работать в качестве аспиранта у Бернала. На следующий год к нему попали отличные кристаллы гемоглобина, и вскоре он получил самые лучшие из когда-либо сделанных рентгенограмм. Однако наблюдаемая дифракционная картина, т.е. интенсивность и положение отдельных отражений, предоставляет только половину информации, необходимой для определения структуры дифрагирующего объекта. Пользуясь математической терминологией, она дает нам амплитуду, а не фазы, т.е. периоды в колебательном движении, без которых нельзя определить положение атомов.

Что касается более простых структур, состоящих из небольшого количества атомов, химия может предоставить достаточно информации о расположении атомов, и тогда решение часто можно найти методом проб и ошибок. Однако белки, состоящие из многих тысяч атомов, слишком сложны для этого. Так что, несмотря на огромное количество полученных превосходных данных, решение проблемы оставалось мучительно недостижимым.

Однако сохранялась вера в то, что подробная информация о структуре белка может быть каким-то образом получена из рентгенограмм, если она вообще может быть получена. Поэтому неудивительно, что там, где химия не оправдала ожиданий ученых, физика - и лучшая физическая лаборатория - указала путь вперед в виде эпохального открытия Уотсона и Крика, которое мы отмечаем в этом месяце.

https://prosyn.org/X5VJjyLru