Винтовая лестница наследственности

Малоинтересные внешне, но несущие глубокое содержание, эти дифракционные картины, полученные при прохождении рентгеновских лучей через образец ДНК, относятся к числу наиболее важных фотографий в истории науки. Это первое недвусмысленное свидетельство спиральной структуры ДНК в формах А (слева) и В (справа), которое и легло в основу "двойной спирали" - модели ДНК, предложенной Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном.

Молекулярная биохимия пыталась связать воедино химические и геометрические свойства молекулы ДНК - носителя генетического кода. Неоценимую роль в осуществлении этой задачи сыграл метод рентгеноструктурного анализа (см. Введение). Первые рентгеновские снимки структуры ДНК сделали в 1938 г. Уильям Астбери и Флоренс Белл. Хотя изображение получилось неясным, ученые оценили по периоду дифракционной картины расстояние между молекулами, определили молекулярный вес соединения и предложили его структурную модель. Первым биохимиком, который указал на роль ДНК в механизме наследственности, был, однако, Освальд Эйвери, который в 1943 г. экспериментировал с пневмококковым вирусом.

Длительное время этим вопросом никто не занимался. Толчок к исследованиям был дан в мае 1950 г., когда Морис Уилкинс из биофизического отделения Королевского колледжа получил пузырек с исключительно чистой ДНК. Он намеревался вести исследования в оптическом диапазоне, но Рэймонд Гослинг с физического отделения того же колледжа решил произвести рентгеновский анализ образца. Картина дифракции, полученная на сухих пластинках геля, была неудовлетворительной, но когда вместо пластинок использовали полученные из геля тонкие прочные волокна, результаты (при высокой влажности и длительных выдержках) оказались прекрасными. Позднее было установлено, что ДНК встречается в различных паракристаллических модификациях: А ("кристаллическая"), В ("мокрая") и реже С или Z. Полученная Гослингом и Уилкинсом картина дифракции на структуре А (слева) долгое время оставалась лучшим рентгеновским снимком структуры ДНК; она подтвердила предположения Астбери относительно структуры ДНК. Позднее Джеймс Уотсон утверждал, что именно этот снимок, показанный Уилкинсом на конференции в Неаполе в 1951 г., побудил его заняться изучением структуры ДНК.

Уилкинс упорно размышлял над возможностью спиральной структуры ДНК, когда в Королевском колледже появился новый специалист по рентгеноструктурному анализу. Это была Розалинда Франклин, получившая подготовку в Париже. Усовершенствовав метод рентгеноструктурного анализа, Франклин с Гослингом вскоре получили много новых фотографий, в том числе весьма неожиданные. Повышение влажности не только улучшило картину, но и существенно изменило ее (форма В, справа), причем так, что она все более наводила на мысль о спиральной структуре. Но Франклин колебалась, то склоняясь к возможности подобной структуры, то отвергая ее. К маю 1952 г., как писал историк Роберт Олби, Франклин "унесло в антиспиральную крайность", и два месяца спустя она даже написала шуточную эпитафию спиральной структуре ДНК в ее "кристаллической" форме А.

По иронии судьбы, в мае 1952 г. Франклин получила великолепную дифракционную картину "мокрой" формы В, которая и дала в дальнейшем Уотсону и Крику ключ к расшифровке структуры ДНК. К этому времени аппаратура значительно усовершенствовалась: вместо списанной из армейских запасов рентгеновской трубки "Реймакс" применялась новая трубка с хорошо сфокусированным пучком; образец помещался в воздухонепроницаемую камеру, влажность в которой поддерживали, пропуская водород через соляной раствор (а не просто воду); использовались также свинцовый экран меньшего размера (белый диск в центре) и высококачественная камера для микрофотографии фирмы "Филипс".

Как же интерпретировать снимок образца (справа), представляющего собой одну нить ДНК из вилочковой железы теленка? Внутри размытого ромба виден крест, образованный короткими плотными дужками. Дифракционная картина, разумеется, не изображает реальный объект - она является его преобразованием, которое поддается однозначной расшифровке. По интенсивным внешним дугам у верхней и нижней вершин ромба можно вывести, что расстояние между нуклеотидами составляет 3,4 А. Расстояние между ближайшими к центру дугами (точно в 10 раз меньшее, чем между внешними) указывает на то, что период структуры в десять раз больше, т. е. равен 34 А. (Нуклеотиды - это молекулярные "кирпичики" нуклеиновых кислот; каждый нуклеотид в ДНК содержит рибозу, связанную с фосфатной группой - атомом фосфора, окруженным четырьмя атомами кислорода, а фосфатная группа в свою очередь связана с пуриновым или пиридиновым основанием .)

Июнь 1950 г. (слева); 2-6 мая 1952 г. (справа). Отделение биофизических исследований, Королевский колледж, Лондон Р. Гослинг и М. Уилкинс (слева); Р. Франклин (справа). Рентгеновская установка 'Реймакс'; пучок из 35 волокон ДНК (слева); рентгеновская установка 'Эренберг-Спиэр', фотоаппарат 'Филипс', одна нить ДНК (справа) 4 ч (слева); 62 ч (справа). М. Уилкинс, Королевский колледж, Лондон. [146, 218, 230, 292]

По словам Г. Джадсона [146], с дифракционной картины "спираль прямо-таки кричала о себе": период спирали составляет 34 А; на каждом витке укладывается десять нуклеотидных пар на расстоянии 3,4 А друг от друга. При правильной интерпретации картин можно было даже оценить диаметр спирали (20 А).

Находясь на грани открытия, Франклин тем не менее не смогла извлечь пользу из этого снимка; она вернулась к нему лишь десять месяцев спустя. К тому времени Уилкинс уже показал снимок Уотсону, приехавшему из Кембриджа. "Как только я увидел снимок, у меня буквально отвалилась челюсть и сердце затрепыхалось", - вспоминал Уотсон. Он сразу же сообразил, что черный крест полос отражения на дифракционной картине могла дать только спиральная структура. К началу 1953 г. никто уже не сомневался в том, что ДНК имеет спиральную структуру; кое-кто, в том числе Лайнус Полинг, говорил даже о тройной спирали.

Но прозрение, которому суждено было произвести революцию в молекулярной биохимии, озарило Уотсона и Крика. Единственной структурой, идеально соответствующей полученной дифракционной картине, была переплетенная двойная спираль - спиральное сплетение цепочек сахаров и фосфатов, которые соединены между собой мостиками комплементарных (взаимно дополняющих) оснований (пурина и пиримидина), связанных слабой водородной связью. Создание правильной модели молекулы ДНК отнюдь не сводилось к геометрическим построениям. Требование комплементарности оснований означает, что последовательность оснований в одной нити двойной спирали однозначно определяет последовательность оснований в другой - эти последовательности находятся в таком же соотношении, как фотографические негатив и позитив. Для самовоспроизведения двойной спирали ей достаточно лишь разделиться на отдельные нити. Каждая нить затем достраивается до двойной спирали, в результате чего получаются две двойные спирали, полностью идентичные исходной.

Когда Крик, Уотсон и Уилкинс были удостоены в 1962 г. Нобелевской премии, их достижение было названо "открытием самых захватывающих возможностей для детального изучения процесса передачи генетической информации". Десятилетия спустя "винтовая лестница" ДНК с ее ступеньками из парных оснований продолжает вести нас ко все новым, неизведанным высотам познания.