Пропелер життя - найбільше наукове відкриття ХХ століття
Зображення подвійної спіралі ДНК - представлене на обкладинках шкільних підручників біології та на обкладинках більшості книг з генетики - стало для нас настільки звичним, що з того часу здається світові відомим. Але минуло лише 60 років - цього року - з того часу, як ця наукова таємниця - структура молекули ДНК - вже давно розшифрована, своєрідний "святий Грааль" біохімічних досліджень.
Тривала наукова суперечка, боротьба ідей роками передували відкриттю цієї композиції, і успіх крок за кроком будувався на попередніх знаннях хімії, біології та фізики, переживаючи помилки, суперечки, розчарування, щоб досягти, Нарешті, до апофеозу: момент слави, коли Френсіс Крик і Джеймс Уотсон зрозуміли, що модель, яку вони собі уявляли, відповідає всім вимогам і її можна вважати правильною, правдивою картиною будови нуклеїнових кислот. Це був 1953 рік.
Звичайно, вони не єдині, хто доклав багато зусиль для досягнення цього успіху. Саме вони, зібравши інформацію, отриману до цього часу в ході власних досліджень, плюс дані, отримані десятиліттями досліджень вченими з двох континентів, мали блискучу інтуїцію того, як ці дані поєднуються для створити правильну модель.
Є багато тих, хто, не обов'язково прагнучи пізнати структуру ДНК, своїм дослідженням хімії, біології та фізики сприяв збору фундаментальних даних. Були й інші, хто навіть намагався з’ясувати структуру ДНК і пропонував моделі, але вони виявилися помилковими. Так пише історія науки.
У будь-якому випадку, крім Джеймса Уотсона та Френсіса Крика, які проводили свої дослідження в лабораторії Кавендіша в Кембриджі, найбільше сприяли їх успіху завдяки своїм дослідженням Моріс Вілкінс та Розалінд Франклін, які працювали, у той період у Лондонському Королівському коледжі. Ці четверо вчених мають більшість заслуг у розгадуванні цієї загадки біології. Насправді Моріс Вілкінс поділився з Криком та Ватсоном Нобелівською премією з медицини/фізіології, присудженою в 1962 році за це відкриття. Розалінд Франклін, яка зробила вирішальний внесок у успіх, не стала одним з переможців з простої і трагічної причини: вона померла до нагородження у 1958 році, у віці лише 37 років, через рак.
З 4 вчених, які в основному займаються відкриттям структури ДНК, досі живий лише Джеймс Уотсон. Йому 84 роки. Після відкриття структури нуклеїнових кислот він повернувся до США і працював у кількох установах, займаючись дослідженнями в галузі генетики, в яких він відкрив у віці до 25 років такий перспективний шлях. Крім усього іншого, протягом 2 років він керував проектом «Геном людини», будучи другою людиною, геном якої був повністю секвенуваний. Він є одним з деканів молекулярної генетики і, швидше за все, займався генетикою більше, ніж будь-який інший вчений, що працює в цій галузі сьогодні.
Багато анекдотичних деталей історії відкриття подвійної спіралі (він створив цей термін для опису структури ДНК) відомі з книги, яку він написав і опублікував у 1968 році: Подвійна спіраль: Особистий рахунок відкриття структури ДНК (також опублікована в 1970 р. Під назвою «Пропелер життя»), особиста розповідь - звичайно, суб’єктивна, але не менш важлива - послідовності подій, що призвели до відкриття структури ДНК та контексту, в якому вона відбулася. Життя в академічному світі в Кембриджі, занепокоєння - як професійне, так і особисте - вчених, які там працювали, а також боротьба ідей між тими, хто бере участь у розшифровці структури ДНК, виявляються живими і часто навіть смішними, хоча книга була і критикується за деякі дискримінаційні акценти - особливо щодо Розалінд Франклін - вираження сексизму, який панував на той час в англосаксонських університетських умовах.
Френсіс Крик і Моріс Вілкінс, обидва народилися в тому ж 1916 році, обидва померли в 2004 році.
ДНК (дезоксирибонуклеїнова кислота) є матеріальною підтримкою спадкової інформації: гени складаються з ДНК. Молекула ДНК - це полінуклеотид, який складається з основних одиниць, званих нуклеотидами, і кожен нуклеотид складається з трьох елементів:
- азотиста основа, якою може бути аденін (A), цитозин (C), тимін (T) або гуанін (G).
- молекула вуглеводу (цукру), що називається дезоксирибоза
- одна або кілька фосфатних груп
Лінійна послідовність нуклеотидів - порядок їх нанизування - є первинною структурою ДНК. Але, як і будь-яка складна молекула, ДНК має кілька рівнів будови. Первинна структура не повністю описує склад молекули, але інші рівні структури повинні бути розшифровані, щоб мати можливість повністю її охарактеризувати.
У живій клітині ДНК існує переважно у дволанцюжковій формі (дві ланцюги або ланцюги нуклеотидів), а вторинна структура надається способом зв’язку двох ланцюгів між собою, а саме водневими зв’язками між парами азотистих основ. на одному ланцюжку, а на іншому. Азотні основи і так не можуть зв’язуватись, але лише в певних поєднаннях: аденин завжди зв’язується з тиміном (A-T), а цитозин - з гуаніном (C-G). Крик та Ватсон пояснили у своїй моделі два аспекти: скільки ланцюгів має ДНК та як вони з’єднуються між собою.
Основним аспектом, до якого сприяли згадані четверо вчених, була третинна структура ДНК, тобто тривимірна форма, специфічна для молекули. Сьогодні ми знаємо, що ДНК має форму «подвійної спіралі», як її називав Ватсон, дві нитки, що скручуються навколо один одного під певними кутами і з точними відстанями між спіралями спіральної структури. Крик і Ватсон прославилися відкриттям цієї третинної структури.
Нарешті, ДНК також має четвертинну структуру, вищий ступінь організації, що стосується взаємодій ДНК з іншими молекулами, що дозволяє їй виконувати свої специфічні функції. У клітині ДНК асоціюється з молекулами білків, які називаються гістонами, утворюючи більш компактну структуру, яка називається хроматином. У цій формі ДНК знаходиться в ядрі клітин.
В цілому молекула ДНК виглядає як спірально скручена шкала, в якій боки утворені дезоксирибозою + фосфатними групами, а ступені - з пар азотистих основ, A-T і C-G.
Сьогодні ми знаємо всі ці речі, але уявіть, що 60 років тому вони не були відомі. Ніхто не міг би описати ДНК навіть у короткій формі, яку я описав вище. Молекула ДНК була структурою, занадто малою, щоб її можна було побачити під мікроскопом, тому все треба було виводити опосередковано, шляхом складних розрахунків, інтерпретації результатів конкретних аналізів, часто спростовуваних і рідко підтверджуваних припущень і транспортуванню у величезних масштабах. зображення молекули ДНК, як його уявляли вчені.
Слід також сказати, що в цілому молекулярна структура гена була на той час великою невідомістю. Сьогодні багато людей знають, що гени складаються з нуклеїнових кислот, але на той час ця ідея не була прийнята навіть усім науковим співтовариством. Багато вчених вважали, що гени складаються з білків, здатних до самовідтворення, тоді як ДНК приписували лише структурну, допоміжну роль білків. Модель Крика-Ватсона також пролила світло на це, оскільки вона наводила аргументи на підтвердження ідеї, що гени складаються з нуклеїнових кислот.
Пропелер, який змінить світ
Відкриття структури ДНК базується на кількох основних елементах, котрі кожен надав деякі знання, необхідні, щоб нарешті зрозуміти, як складалася ця молекула життя.
Деякий час було відомо, що хімічні дослідження включають дезоксирибозу, фосфатні групи та азотисті основи: тимін, аденин, цитозин та гуанін. Також було виявлено, що існує певне співвідношення пропорційності між кількостями цих основ: кількість цитозину дорівнює кількості гуаніну, а тиміну - аденіну. (Це відкрив хімік Ервін Чаргафф, тому явище називається правилами Чаргаффа.) Що це може означати, досі невідомо.
Іншим ключовим елементом стала робота Моріса Уілкінса та Розалінд Франклін, які роками вивчали рентгенівську кристалографію, застосовувану до різних молекулярних структур, і зроблені ними рентгенодифракційні зображення ДНК призвели до думки, що це може бути гвинтова конструкція.
Ідея спіральної будови складних молекул тоді плавала в повітрі; Не так давно відомий американський хімік Лінус Полінг, який працював у Каліфорнійському університеті (Cal Tech), виявив, що багато білків мають таку структуру, яку називають альфа-спіраллю, що призвело до припущення, що інші складні молекули могли мати така конфігурація.
Це був етап знань, коли Фрейсіс Крик і Джеймс Уотсон вирішили вивчити структуру ДНК.
Сьогодні дослідження будови молекул проводяться за допомогою дуже складних комп’ютерних програм, які насправді малюють тривимірні молекули, а потім скручують і скручують їх у всіх положеннях, тим самим значно допомагаючи зрозуміти їх конфігурацію. Однак у 1950-х роках такого не було. Нам, звиклим до участі комп’ютерів у наукових дослідженнях, важко повірити, що Уотсон і Крик виявили структуру ДНК, зібравши вручну тривимірні моделі проводів і металевих пластин, що представляють фосфатні групи, дезоксирибозу, азотисті основи та зв’язки між ними. Пластини та дроти були вирізані за масштабом, щоб відповідати певним розмірам атомних скупчень та довжині хімічних та водневих зв’язків у структурі ДНК, як було визначено з даних хімії та рентгенівських фотографій. Цілими днями Ватсон і Крик будували такі моделі, розміщуючи пластини під певними кутами, ретельно вимірюючи відстані, щоб все збігалося. А до успіху було багато розчарувань.
Сьогодні, коли ми знаємо, з чого складається ДНК, це, звичайно, здається простим, але пам’ятайте, що тоді ніхто не знав, як виглядала ця складна молекула. Підозрювали, що він має форму спіралі, але з скількох ланцюжків він складався, не було відомо з самого початку.
Одного разу, в 1951 році, знаменитий Лінус Полінг з Cal Tech (установа, з якою конкурувала Лабораторія Кавендіша, кожна група вчених сподівалася виявити першу структуру ДНК і отримати Нобелівську премію за успіх), опублікував статтю в який стверджував, що відкрив таємницю: ДНК має спіральну структуру з трьох ланцюгів. Це було важко пояснити помилкою для вченого його зросту - він був найбільшим структурним хіміком того часу і одним з найбільших усіх часів - і все-таки він це зробив. (Доказ того, що хтось може помилятися, особливо коли він поспішає через страх, що інші приймуть це першим.)
Крик і Ватсон зрозуміли, що щось не так, і, покладаючись на рентгенівські дифракційні фотографії, зроблені Розалінд Франклін та її помічником Реймондом Гослінгом, особливо на певне зображення, зване "фотографія 51", яке важливу роль у успіху), вони висунули гіпотезу про те, що це скоріше двоспиральна спіраль.
Ще не було відомо, як ці ланцюги були розміщені для формування гвинта. Довгий час вважалося, що нитка фосфатних і дезоксирибозних груп знаходиться в середині спіралі - як хребет - і азотисті основи поперек, осторонь, але тривимірні моделі, побудовані на цій гіпотезі, були неправильно розташовані. Відстані та кути, що відповідають молекулярним та хімічним зв’язкам, не призвели до правильного з’єднання пластин.
Нарешті, була взята до уваги зворотна гіпотеза: зовні, зовні, були б ряди дезоксирибозо-фосфатних груп, а в центрі - азотисті основи, які зливались між собою (якимось чином досі незрозумілим). Це заслуга Розалінд Франклін, яка наполягла на цьому, врешті-решт переконавши Крика та Ватсона, що модель з основами в центрі буде правильною.
Але як ці азотисті основи зв’язувались між собою для стабілізації гвинтових сходів?
Спочатку Уотсон і Крик вважали, що основи пов'язуються за схожим принципом з подібними - тобто аденин з аденином, тимін з тиміном тощо. Але знову ж таки, їхні металеві моделі не вийшли належним чином, і, поговоривши з кількома хіміками, які допомогли їм перевірити розрахунки, Крик і Ватсон дійшли висновку, що основи злилися за іншим правилом - принципом взаємодоповнення, яке задовольняло Правила Чаргаффа: аденін завжди зв’язується з тиміном, а цитозин - з гуаніном. Ця модель також мала перевагу правдоподібного пояснення того, як ДНК реплікується - як, тобто як вона копіювалась, перед поділом клітини, так що дочірні клітини отримали ідентичну копію ДНК стовбурових клітин.
І, нарешті, після багатьох подорожей і розрахунків, після суперечок з колегами-вченими та гірких розчарувань, коли справа виявилася не так, після незліченних спроб побудувати тривимірні металеві моделі, щоб все зійшлося легко, природно і бездоганно, Настав день - 28 лютого 1953 р., На що вказує табличка на стіні "Орла", коли Крик і Уотсон увійшли у це місце, і Крик, якого Уотсон у своїй книзі описує як надзвичайно балакучий і з гучним сміхом він кричав своїм великим ротом, що вони відкрили таємницю життя!
За цим відбулося офіційне повідомлення керівника лабораторії Кавендіш, сера Лоуренса Брегга, про новини на науковій конференції, а потім публікація в журналі Nature статті, підписаної двома, під назвою "Структура нуклеїнової кислоти дезоксирибози" - скромна назва, після чого ви не могли здогадатися, що це була одна з найбажаніших наукових перемог усіх часів, згодом визначена як найважливіше наукове відкриття ХХ століття.
На цій основі побудована молекулярна генетика, від якої ми в майбутньому очікуємо вирішення незліченних проблем людства: голоду, хвороб та інших. В даний час не минає тижня, щоб лабораторія у світі не повідомила, що виявила щось про ген. Але це було б неможливим без відкриття структури ДНК, молекули полінуклеотидів, з якої складаються гени, у дивовижну спіраль у складі якої вписана таємниця життя.