Проект «Джим»

Ранние годы науки о ДНК

Когда Уотсон начал заниматься строением ДНК, он был еще совсем молодым. Поэтому рассказ о его предшествующей жизни не будет длинным. Он родился в Чикаго, был единственным сыном в семье, увлекался наблюдениями за птицами. Поступил в университет — в пятнадцать лет! — с намерением изучать орнитологию.

Но через три года случилось первое поворотное событие: в руки Уотсона попала книга Шредингера «Что такое жизнь?».

Эрвин Шредингер (мы все знакомы с его котом) пытался осмыслить вопросы жизни, Вселенной и всего такого с точки зрения физика. В частности, вопрос о том, что могло бы являться материальным носителем наследственной информации. И поразительно, что его небольшая книга повлияла на всех трех ученых, которые впоследствии получат Нобелевскую премию за открытие структуры ДНК — на Джеймса Уотсона, Френсиса Крика и ныне полузабытого Мориса Уилкинса.

  Морис Уилкинс (1916–2004)    

И постепенно интересы Уотсона стали смещаться в сторону генетики. После Чикаго он оказался в университете штата Индиана, где уже можно было общаться с настоящими генетиками, и защитил диссертацию по руководством микробиолога Сальвадора Лурии. Сам Лурия тогда уже успел провести те исследования, которые его позже прославили, и был одним из основателей «фаговой группы» — неформального объединения ученых, которые активно изучали бактериофаги. Но до всемирной известности и Нобелевской премии Лурии еще оставалось много лет. (В этом тексте придется и дальше все время упоминать нобелиатов — таков слой.)

Члены «фаговой группы» интересовались физической природой генов, и общение с ними не могло не повлиять на Уотсона. Но именно вирусы как таковые были не его темой. Так что следующее событие, определившее его научные интересы, вновь было связано с почти случайным обстоятельством. На небольшой научной конференции во время стажировки в Европе Уотсон услышал доклад Мориса Уилкинса — биохимика, который в Королевском колледже Лондона занимался рентгеновскими исследованиями молекул ДНК.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), открытая за сто без малого лет до описываемых событий, в ту пору занимала довольно скромное место в умах исследователей.

В начале XX века это вещество впервые подробно исследовал биохимик Фибус Левин. И многое выяснил. Выяснил, что в природе есть две разных формы нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, и что в состав звеньев ДНК (нуклеотидов) входят азотистые основания, остатки моносахарида и фосфатные группы. Охарактеризовал сахар в составе ДНК— дезоксирибозу. Установил, что в «алфавите» ДНК всего четыре буквы: азотистые основания аденин (А), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (Т). И решил, что такая молекула слишком проста и скучна для того, чтобы выполнять какие-то важные функции. Скорее всего, это просто однообразные кольца, где каждое составлено из четырех нуклеотидов: GCAT...

И хотя попытки изучать ДНК предпринимались — скажем, незадолго до Второй мировой войны были начаты ее рентгеноструктурные исследования — все-таки внимание большинства ученых было приковано к белкам. Казалось несомненным, что именно они являются не только основой жизни клетки, но и основой наследственности.

Тем неожиданнее была статья, опубликованная в 1944 году в «Журнале экспериментальной медицины». Авторы — Освальд Эвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти — изучали, какие вещества могут вызвать трансформацию одного штамма бактерий в другой. И по всему получалось, что трансформацию вызывает не белок, а это загадочное вещество — ДНК!

Не что чтобы статья Эвери сразу произвела революцию в умах. Продолжались споры, потребовались годы других исследований (так, яркий эксперимент Алфреда Херши и Марты Чейз с бактериофагами был проведен в 1952 году, когда Уотсон и Крик уже начали работать над проблемой ДНК). Но все же постепенно стала утверждаться идея, что именно ДНК может быть генетическим материалом не только у бактерий, но и у других организмов.

И эта идея стимулировала многочисленные исследования — в том числе и работу Уилкинса. А выступление Уилкинса убедило Уотсона в том, что ДНК имеет вполне определенную и к тому же упорядоченную структуру, которую можно изучать.

Но для этого нужно было уметь работать с рентгенограммами биологических структур. Этого Уотсон не умел. Попасть в Лондон к Уилкинсу он не надеялся. Зато в другом городе Англии нашлось место, где занимались рентгеноструктурными исследованиями и готовы были взять нового молодого сотрудника. Это была Кавендишская лаборатория в Кембридже.

Первые неудачи

В ту пору Кавендишская лаборатория была настоящим созвездием. Макс Перуц: позднее он получит свою Нобелевскую премию в тот же год, что Уотсон и Крик, но по химии — за изучение структуры гемоглобина. Лоуренс Брэгг — маститый физик, один из основателей рентгеноструктурного анализа, когда-то самый молодой нобелиат в мире.

Но главное — там Уотсон познакомился с Фрэнсисом Криком.

  Фрэнсис Крик (1916–2004)   

Несмотря на двенадцатилетнюю разницу в возрасте, они образовали замечательный рабочий тандем. Уотсон был больше подкован в биологии, Крик— в физике. Уотсон обладал энергией, интуицией, быстро генерировал идеи — Крик анализировал их, проводил расчеты и находил формулировки. И оба интересовались ДНК.

Как раз незадолго до того великий химик Лайнус Полинг открыл важнейший компонент пространственной структуры множества белков — альфа-спираль. При этом он не только использовал рентгеновские данные, но и строил пространственные модели молекул из чего-то вроде конструктора. Так что Уотсон и Крик решили и сами строить модели из того, что было под рукой. Но для того, чтобы избегать явных ошибок и проверять свои гипотезы, им нужны были рентгеновские данные.

  Лайнус Полинг (1901–1994)    

А значит, надо обращаться к Уилкинсу, в Королевский колледж.

К тому времени Уилкинс научился получать тонкие пучки одинаково ориентированных нитей ДНК, пригодные для рентгенографического исследования, и впервые увидел на рентгеновских снимках четкую регулярную структуру. Можно было сделать вывод, что с некоторой вероятностью молекула ДНК имеет форму спирали и что диаметр этой спирали достаточно велик — а значит, скорее всего, это сложная спираль, состоящая из нескольких полинуклеотидных цепей.

Уотсон и Крик выслушали соображения Уилкинса. Побывали на докладе Розалинд Франклин — биофизика, блестящего специалиста по рентгенографии, которая с 1951 года была временным сотрудником Королевского колледжа и тоже занималась изучением структуры ДНК. Посмотрели на имевшиеся рентгенограммы. Но ни Франклин, ни Уилкинс не занимались строительством моделей — Франклин настаивала, что надо сперва получить максимальное количество качественных экспериментальных данных.

  Розалинд Франклин (1920–1958)

А Уотсон и Крик решили попробовать. Их первоначальная идея была в том, что сахарофосфатный остов должен находиться в центре молекулы, а азотистые основания — по краям. Казалось, что именно это даст достаточно регулярную структуру. Чтобы связать между собой отрицательно заряженные фосфатные группы в центре, можно использовать… ну, например, мостики из ионов магния.

И через некоторое время модель из трех переплетенных цепей была готова. И даже размеры витка спирали более или менее сходились с рентгеновскими данными.

Но попытка представить модель коллегам из Королевского колледжа оказалась крайне неудачной. Франклин разнесла модель в пух и прах: она указала и на то, что, по имеющимся данным, наружная часть молекулы должна быть гидрофильной, и на то, что содержание воды в ДНК должно быть гораздо больше, чем допускает эта модель, и на то, что ионы магния тут вообще ни при чем. И самое печальное, что критика была обоснованной.

Вскоре после этого поражения Уотсону и Крику было сообщено, что им стоит оставить свою работу над ДНК. Мол, ничего особенного в их подходе нет, а исследования формы молекулы лучше оставить группе Уилкинса из Королевского колледжа — здесь ее территория.

Это было в конце 1951 года.

Уотсон стал работать над изучением вируса табачной мозаики и при этом на практике знакомиться с рентгеновскими исследованиями спиральных структур. Крик писал свою диссертацию. Но запретить им думать о ДНК, конечно, было невозможно.

Уилкинс и Франклин в Лондоне продолжали собирать рентгеноструктурные данные. К тому времени они уже знали, что ДНК в зависимости от содержания воды может существовать в разных формах — А и В.

 Две формы ДНК: А (слева) и В (справа)

Франклин считала форму А более перспективной для изучения и сосредоточилась в основном на ней, Уилкинс занимался формой В — как мы сейчас знаем, наиболее типичной для живых клеток. И в ту пору почти никто не знал, что в мае 1952 года под руководством Франклин молодой сотрудник Раймонд Гослинг сделал особенно удачную и четкую фотографию именно В-формы. Знаменитую «фотографию 51», которой суждено было стать одним из важных оснований для последующего решения загадки ДНК.

И все же успех

В начале 1953 года Уотсон и Крик предприняли вторую попытку. К тому времени ситуация уже несколько изменилась.

Во-первых, ДНК стал заниматься Лайнус Полинг. В Кембридже с тревогой ждали, какую именно модель представит Полинг. Когда же это стало известно, то, к великой радости Уотсона и Крика, выяснилось, что она содержит очевидные ошибки. И, что забавно, оказалась похожей на их первую модель. Но явно Полинг скоро сделает еще одну попытку — и вдруг она будет успешной? Надо спешить.

Во-вторых, у Уотсона и Крика появились новые данные. И прежде всего та самая фотография 51. Франклин в это время переходила на работу в другое место, и копии ее материалов, в том числе эта фотография, были переданы Уилкинсу. А тот — без ведома Франклин — показал их Уотсону. Как писал позднее Уотсон, «едва я увидел эту рентгенограмму, как у меня отвисла челюсть и забилось сердце». Картинка не только позволяла подтвердить, что речь идет именно о спирали, но и давала возможность достаточно надежно оценить основные параметры этой спирали: высоту и ширину витка, количество звеньев на виток и так далее. А значит, теперь было с чем сверять новые модели, которые удастся построить.

 Фотография 51. Справа — информация, которую можно из нее извлечь: то, что спираль образована более чем одной нитью, ее диаметр, расстояние между парами оснований и т.д. Источник:  Wikipedia

А позже Уотсон и Крик получили и другие данные. Их начальник Макс Перуц показал им отчет группы Королевского колледжа — в числе прочего также содержавший результаты и соображения Франклин. Этот отчет был представлен Совету медицинских исследований и не носил конфиденциального характера, так что знакомство с ним Уотсона и Крика не было наказуемым нарушением. Но опять-таки, сама Розалинд Франклин не знала, что данные им показали.

И в-третьих, в этот раз во время построения модели использовались некоторые дополнительные факты и соображения. В частности, результаты американца Эрвина Чаргаффа: в его статьях, опубликованных в самом начале 50-х годов, говорилось о том, что в молекулах ДНК живых организмов количество гуанина (G) равно количеству цитозина (С), а количество аденина (А) — количеству тимина (а вот говорить о равенстве количеств всех нуклеотидов нельзя). Кстати, молодой химик Джон Гриффит в беседе с Криком даже прикинул, что между аденином и тимином, а также между гуанином и цитозином могут быть силы притяжения — это бы неплохо согласовалось с наблюдением Чаргаффа. Но сама конкретная схема, придуманная Гриффитом, не была ни точной, ни убедительной.

Постепенно вырисовывались какие-то параметры модели. Уотсон и Крик попробовали рассматривать не только трехцепочечную, но и двухцепочечную спираль. Они отошли от идеи «фосфаты внутри, основания снаружи» и построили вполне приличный наружный сахарофосфатный остов (который, кстати, соответствовал рентгеноструктурным данным Франклин). Теперь надо было внутри него разместить аденин, гуанин, цитозин и тимин.

    Такими моделями оснований пользовались Уотсон и Крик. Это аденин   

А вот с этим было совсем плохо. У четырех оснований разная форма и разные размеры — как обеспечить регулярность структуры? Как сделать так, чтобы они не сталкивались и не расходились слишком широко? Если есть две цепи, а основания в них могут располагаться как угодно, то при встрече двух пуриновых оснований (A, G) из разных цепей они будут мешать друг другу, а при встрече пиримидиновых (C, T) будет возникать промежуток.

И, кстати, как эти пары оснований будут удерживать обе цепи вместе? Водородными связями?

Размышляя над этим, Уотсон сперва пришел к ложной идее, которая, однако, позволила сделать шаг к истинной.

Можно ли расположить два остатка аденина так, чтобы между ними образовывались водородные связи? Да, если один из них будет повернут на 180 градусов по отношению к другому. Можно ли придумать то же самое для G-G, C-C и T-T? Да, по две связи в каждой паре. Так почему бы не предположить, что в двух цепях ДНК просто одинаковая последовательность оснований? И это, кстати, сразу решает вопрос о том, как может копироваться генетическая информация — она уже существует в двух копиях!

  Предполагаемые пары одинаковых оснований в ошибочной модели Уотсона, пунктиром обозначены водородные связи. Обратите внимание на формы гуанина и тимина  

Все это выглядело многообещающе, но не получалось чисто геометрически. К тому же американский физико-химик Джерри Донохью, который как раз стажировался в Кембридже, сказал Уотсону, что следует использовать другие таутомерные формы гуанина и тимина. Мол, мало ли что написано в книге — учебники повторяют одни и те же ошибки!

И внезапно эта информация от Донохью оказалась недостающим куском пазла. Если сделать модели оснований с ее учетом, то пара аденин-тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет такую же форму и размеры, что пара гуанин-цитозин!

Дальше уже все пошло быстро. Оказалось, что нет никаких препятствий к тому, чтобы каждая цепь включала и пурины, и пиримидины. Стало ясно, откуда взялись правила Чаргаффа. А главное — это все наводило на мысль не только о структуре ДНК, но и о возможном механизме ее удвоения! Идея комплементарности как шаблона для копирования генов уже витала среди биологов — теперь она получила замечательное подтверждение.

Еще одна важная идея состояла в том, что две цепи в спирали, похоже, должны идти в противоположных направлениях. Остальное уже было делом техники.

 Правильные пары комплементарных оснований. Уотсон и Крик сперва построили модель без нижней водородной связи справа, но и так неплохо вышло.

 Новая модель, готовая буквально через несколько дней, была вскоре одобрена и Уилкинсом, и Франклин, и даже Полингом.

И очень скоро, 25 апреля 1953 года, в журнале Nature появилась статья Уотсона и Крика под названием «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты».

В том же номере Nature были напечатаны статьи Уилкинса и Франклин. Последняя содержала ту самую фотографию 51.

Конечно, сами по себе детали модели, такие как размеры витка спирали, носили чисто технический характер. Но короткая статья Уотсона и Крика содержала фразу, которая объясняла главный смысл сделанного.

«От нашего внимания не укрылось, что установленное нами специфическое спаривание [оснований] непосредственно указывает на возможный механизм копирования генетического материала».

Модель двойной спирали была принята научным сообществом довольно быстро — она была чрезвычайно элегантной и объясняла одновременно много известных фактов. Но наиболее прозорливые ученые сразу поняли и то, что речь идет о революции, после которой биология уже не будет прежней. Макс Дельбрюк, еще один знаменитый ученый из «фаговой группы», писал Нильсу Бору, что это открытие может потягаться с открытием структуры атома в 1911 году.

В 1962 году Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах». Розалинд Франклин не дожила до этого дня — она умерла от рака в 1958 году.

Личный фактор

Постоянно ведутся ожесточенные споры о личных ролях участников этой истории, пишутся статьи и книги, высказываются версии. Особенно это касается Розалинд Франклин.

Здесь наложились многие обстоятельства. И положение женщин в науке в те времена. И позднейший подъем феминизма. И непростые личные отношения наших героев, прежде всего Франклин и Уилкинса. И представления о научной этике тогда и сейчас. И ранняя смерть Франклин.

В любом случае мы точно можем сказать, что фотография 51, сделанная под руководством Франклин, действительно была принципиально важна для появления и подтверждения модели Уотсона и Крика. Что у самой Розалинд были ценные идеи и наблюдения (многие из них не были опубликованы, а о некоторых узнали только после ее смерти), что она в ряде отношений была очень близка к правильной догадке. Но все-таки модель ДНК сделали именно Уотсон и Крик, и идея комплементарности оснований и цепей принадлежала им.

Отсутствие ссылок на результаты Франклин в ключевой статье Уотсона и Крика нехорошо, но объяснимо: речь шла о не о публикациях, на которые можно сослаться, а о неформальном обмене идеями. Но использование чужих данных без спроса достойно осуждения, тем более с нашей нынешней точки зрения. А нападки на Франклин в книге Уотсона «Двойная спираль» и вовсе выглядят некрасиво («Лучшее место для феминистки — в чьей-нибудь другой лаборатории»). Впрочем, в эпилоге Уотсон отмечает, что его первые впечатления от Розалинд были во многом неверны, и с большим уважением пишет о ее личных и рабочих качествах.

Да, кстати, о «Двойной спирали».

Эта книга Уотсона, описывающая открытие структуры ДНК, вышла в 1968 году. Короткая, захватывающая, до сих пор очень популярная — и производящая весьма неоднозначное впечатление. И дело даже не в едкости, плавно переходящей в хамство («большинство людей науки — не только узколобые зануды, но и откровенные глупцы»), но и в самом духе повествования. Конечно, мы все догадываемся, что наука — поле не только поиска истины, но и жесткой конкуренции, где происходит битва за приоритет. Но все-таки этого принято стесняться. Уотсон же описывает этот аспект как само собой разумеющийся. С волками жить — по-волчьи выть. Или, как сказал сам Уотсон, «честолюбие часто вступает в противоречие с представлениями о честной игре».

 Двойная спираль как она есть   

Эта книга не понравилась Крику, не понравилась Уилкинсу. И в то же время она повлияла на многих читателей, как на самого Уотсона когда-то повлияла книга Шредингера. Впервые всемирно известный ученый рассказывал о том, как зарождаются и развиваются идеи. И о том, что наука — это увлекательно, это игра, финал которой невозможно предсказать.

Что было потом

После открытия структуры ДНК судьбы исследователей сложились по-разному.

Крик, защитив диссертацию и проработав некоторое время в США, затем вернулся в Кембридж и занялся другой ключевой загадкой молекулярной биологии — как именно на основе ДНК происходит синтез белков. И, как известно, сыграл огромную роль в ее решении.

Уилкинс продолжал заниматься структурными исследованиями, в том числе и для подтверждения и совершенствования полученной модели ДНК. Через много лет он написал автобиографию с ироническим названием «Третий человек двойной спирали».

Уотсон немного поработал в Калифорнийском технологическом институте, на год вернулся в Кембридж, а в 1956 году поехал в Гарвард. Его научные интересы в ту пору сместились от ДНК к матричной РНК, которая тогда была главной темой. Но здесь группа Уотсона уже не оказалась самой первой.

Постепенно Уотсон стал переключаться на написание книг и административную работу. Его первый учебник, «Молекулярная биология гена» (1965), был необычайно успешен и до сих пор переиздается с учетом новых данных. Затем последовала великолепная «Молекулярная биология клетки» (1983), написанная коллективом авторов. Третий учебник, «Рекомбинантная ДНК», был издан в 1992 году.

Покинув Гарвард, Уотсон в 1968 году стал директором лаборатории в Колд-Спринг-Харбор (Нью-Йорк). Он возглавлял ее десятки лет, и под его руководством она превратилась в мощный исследовательский и образовательный центр. Так, именно при Уотсоне здесь работали Ричард Робертс и Филип Шарп, открывшие сплайсинг, а также Кэрол Грейдер (Нобелевская премия 2009 года за открытие теломеразы).

И еще одна важная страница — участие Уотсона в проекте «Геном человека». Работа крупнейшего международного проекта, направленного на определение последовательности ДНК человека и картирование всех генов на хромосомах, была официально начата в 1990 году под эгидой Национальных институтов здравоохранения (National Institutes of Health) США, и именно Уотсон стал первым главой проекта. Правда, ненадолго: уже в 1992 году он ушел со своего поста после конфликта по поводу патентования последовательностей ДНК — Уотсон был резко против этого.

Впрочем, позже имя Уотсона прогремело с связи с геномом еще раз. Когда было официально объявлено об окончании проекта «Геном человека» и общая картина стала ясна, зашла речь об определении последовательностей генома конкретных людей. Одним из первых стал именно Уотсон. «Чтением» его генома занимались в биотехнологической компании 454 Life Sciences — и проект, конечно, назывался «Джим». Забавно, что в то же самое время другая команда занималась расшифровкой генома биотехнолога Крейга Вентера, заклятого врага Уотсона. Секвенирование обоих геномов было завершено более или менее в одно и то же время, и оба конкурента опубликовали свои нуклеотидные последовательности онлайн — как сказал Уотсон, это нужно, «чтобы стимулировать развитие эры персонализированной медицины». Правда, по нынешним временам биологи уже понимают, что этими последовательностями пользоваться не стоит — там ошибки. Опечатки.

  Очередь на лекцию Уотсона в Москве (2008). Фото: А. Константинов

И о неприятном.

Один биограф Уотсона писал: «Он был самым влиятельным ученым XX века, самым скандально известным ученым XXI века, и в обоих случаях причиной был его генетический детерминизм… Он слишком верил в силу ДНК». Ну да — если важнейшие качества, такие как ум и креативность, действительно определяются происхождением, то нет необходимости стесняться в характеристиках других этнических (и не только этнических) групп. Все это наложилось на тяжелый характер Уотсона, который с годами не улучшался.

Не очень хочется подробно обсуждать, что именно он говорил, например, по поводу расы и IQ — этим скандалам и так было уделено много внимания в прессе. Но, как бы то ни было, он ухитрялся публично обидеть многие группы людей: африканцев, женщин, людей с ожирением. В 2007 году после очередного скандала попечительский совет лаборатории в Колд-Спринг-Харбор снял Уотсона со всех административных постов, а еще через много лет лишил его даже почетных званий (что вызвало, в свою очередь, смешанную реакцию у коллег).

В 2014 году Уотсон выставил на аукционную продажу свою Нобелевскую медаль — первый случай, когда так поступил живой лауреат, а не его наследники! По его словам, он был вынужден пойти на это, поскольку научное сообщество от него отвернулось. Позже стало известно, что медаль купил российский олигарх Алишер Усманов с намерением вернуть ее владельцу. И действительно, во время визита Уотсона в Москву медаль была возвращена.

И в заключение — слово еще одному нобелиату, Венки Рамакришнану, блестящему специалисту по структуре рибосом:

«Жаль, что поздний период его жизни был запятнан его крайними взглядами на расу и гендер, его генетическим детерминизмом. Но в итоге его достижения надолго переживут его предубеждения».

В чем неправ Уотсон?