Еще раз об открытии структуры ДНК

Н.С. Андреева,

доктор физико-математических наук, Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН

В нашей отечественной литературе роль, которую сыграла Розалинда Франклин в становлении молекулярной биологии, в должной степени не отражена. Как правило, открытие структуры ДНК ассоциируется лишь с именами Дж.Уотсона и Ф.Крика, хотя на самом деле три имени должны фигурировать в подзаголовке этой замечательной работы - Уотсон-Крик-Франклин, так как каждый из них внес равноценный, индивидуальный и незаменимый вклад в определение строения вещества наследственности. Но история распорядилась так, что имени Франклин суждено было уйти в небытие *.

* Об этом факте упоминалось недавно в краткой заметке. Подробнее см.: Корочкин Л.И., Фридман С.А. Пионер молекулярной биологии // Природа. 2004. №8. С.75-77.

Все началось с того, что Уотсон и Крик построили свою модель, опираясь на неопубликованные данные Франклин, и в своей знаменитой статье о структуре ДНК не упомянули ее имя [1]. Серьезное и обстоятельное исследование реального вклада Франклин в установление структуры двойной спирали ДНК проведено А.Клугом [2], который опубликовал в 2004 г. большую подборку различных материалов, а также дневники и рабочие тетради Франклин, позволяющие не только понять ее роль в этих исследованиях, но и проследить шаг за шагом, как развивалась мысль и созревало величайшее открытие ХХ в. Мне кажется, что подробное описание этого процесса не только интересно, но и весьма поучительно.

Начнем с исходной ситуации. По сути изучением структуры ДНК занимались три группы. Одна из них, биофизическая, была организована при поддержке Совета по медицинским исследованиям (MRC) сэром Дж.Рэндалом в Лондонском Королевском колледже в 1946 г. “для междисциплинарной атаки на секрет хромосом и близких к ним структур”. Возглавил ее эрудированный и обстоятельный биофизик М.Уилкинс. В этой группе проходил практику студент Р.Гослинг, рентгенографически исследовавший сперму различных животных. Уилкинс преуспел в получении нитей ДНК вытягиванием их из вязких растворов. Нити давали высокое двойное лучепреломление, что свидетельствовало о параллельной ориентации длинных молекул вдоль оси растяжения. Вместе с Гослингом он снял рентгенограмму влажной нити ДНК, которая оказалась чрезвычайно богатой рентгеновскими отражениями (как впоследствии выяснилось, это была рентгенограмма А -формы ДНК).

Именно она вдохновила молодого американского биолога Дж.Уотсона заняться определением структуры ДНК методом рентгеноструктурного анализа. Будь Уотсон более опытным исследователем, он никогда бы не принял подобного решения. Но энтузиазм молодости плюс полное отсутствие знаний в вопросах атомно-молекулярной структуры биополимеров и рентгеноструктурного анализа послужили источником его легкомысленной самоуверенности. Он добился разрешения работать над этой проблемой в знаменитой физической Кавендишской лаборатории, руководимой сэром Лоуренсом Брэггом, основателем рентгеноструктурного анализа. Его приняли в группу М.Перутца, изучавшего структуру гемоглобина и миоглобина.

Как могли Брэгг и Перутц доверить рентгенографическое определение структуры ДНК биологу, не имеющему представления о рентгеноструктурном анализе? Чтобы понять это, необходимо воссоздать атмосферу, царившую в начале 50-х годов в Англии и США в рентгеноструктурных лабораториях, изучающих строение макромолекул. На этот счет имеется много публикаций, в том числе книги Перутца [3, 4], а мне доводилось работать в лаборатории Перутца в конце 50-х и начале 60-х годов и почувствовать эту атмосферу непосредственно.

Помимо основных исследований гемоглобина и миоглобина, Л.Брэгг, М.Перутц и Дж.Кендрью пытались выяснить структуру остова полипептидной цепи, наблюдаемую во множестве фибриллярных белков и, следовательно, отражающую важные принципы строения белковых структур. Эту задачу они решали методом моделирования, в то время очень модным. Именно так были созданы первые модели структуры фибриллярных белков, синтетических полипептидов и, наконец, ДНК, которые впоследствии подтвердились прямыми экспериментальными исследованиями.

Однако когда появился Уотсон, Кембриджская лаборатория потерпела поражение в моделировании структуры фибриллярных a-белков. По словам Брэгга, это было самое крупное фиаско в его жизни: модель противоречила законам стереохимии соединений пептидной природы, которые незадолго до этого установил Полинг. В 1951 г. он опубликовал убедительные работы по моделированию структуры остова полипептидной цепи белков, оставив далеко позади модельные построения кембриджских ученых. Труды Полинга, основанные на собственных многолетних исследованиях структуры аминокислот и соединений пептидной природы, позволили ему сформулировать знаменитую теорию резонанса. Опираясь на нее, он показал, что пептидные группы белковых цепей, состоящие из шести атомов - С_a–СО–NH–C_a, всегда должны быть плоскими, а структура любого из соединений пептидной природы должна отвечать критерию полного насыщения водородными связями.

Полинг решил построить наиболее выгодную с энергетической точки зрения модель остова полипептидной цепи, состоящего из плоских пептидных групп, и затем проверить ее соответствие экспериментальным данным. Выяснилось, что заданным Полингом критериям полностью отвечает лишь одна структура, названная им a-спиралью: она имеет нецелочисленную винтовую ось, т.е. на один ее оборот приходится дробное число пептидных групп (18 в пяти оборотах). Классическая кристаллография отвергала такие винтовые оси, поскольку они не обеспечивают плотного заполнения пространства. Но Полинг искал наиболее выгодную энергетически конформацию остова изолированной полипептидной цепочки, полагая, что к волокнам требования классической кристаллографии применять нельзя. Хотя модель Полинга отвечала всем требованиям стереохимии и выглядела весьма убедительной, но какова должна быть ее рентгенограмма, оставалось неясным. В первой экспериментальной проверке a-спирали, проведенной в Кембридже, Перутц выловил на рентгенограммах a-белков отражение, подтверждающее модель Полинга. Однако нужны были более обстоятельные эксперименты.

И вот тогда первый раз блеснул своим талантом работавший у Перутца 35-летний физик Ф.Крик. Он вместе с кристаллографом У.Кокреном математически разработал теорию дифракции рентгеновских лучей на спиральных молекулах с винтовыми осями любых порядков, включая нецелочисленные оси. Главное следствие его теории - особое расположение рентгеновских отражений на рентгенограммах спиральных структур. Оно позволяло по виду рентгенограмм идентифицировать спиральную конфигурацию у полимерных молекул в фибриллярных белках и синтетических полипептидах. Расчеты показали, что a-фибриллярные белки состоят из скрученных жгутов a-спиралей. Стало понятно, что законы погасаний рентгеновских отражений от структур с винтовыми осями, которые использует классическая кристаллография, - лишь частный случай общей теории Крика [5].

Конечно, эта работа придала Крику солидный запас уверенности в себе, и когда появился Уотсон с навязчивой идеей определить структуру ДНК, Крик, видимо, решил и здесь попробовать свои силы. Уязвленный неудачей в построении модели a-фибриллярных белков, Брэгг дал молодым ученым свое согласие. Вдохновленные успехом Полинга и кажущейся легкостью в построении модели полипептидной цепи белков, Уотсон и Крик намеревались таким же способом определить строение ДНК. Рентгеноструктурные данные, полученные еще в 40-е годы В.Астбери, говорили, что ДНК свойственна определенная стабильная и упорядоченная структура. Никакой другой информацией Уотсон и Крик на первых порах не располагали.

Если при моделировании a-спирали речь шла о плотной упаковке плоских пептидных групп, состоявших из шести атомов, с точно установленным расположением, то отнюдь не плоские нуклеотидные группы содержали значительно больше атомов. Об их расположении можно было лишь гадать, да кроме того, было вообще неизвестно, из скольких цепей состоит молекула. Поэтому для определения структуры ДНК требовалась иная схема, противоположная той, которая реализовалась при анализе структуры фибриллярных белков (когда сперва строилась модель, а потом она проверялась экспериментально). Здесь в первую очередь оказались нужны независимые экспериментальные данные о параметрах структуры. Уотсон и Крик были абсолютными новичками в изучении стереохимии нуклеотидных соединений. Так что, в отличие от Полинга, никаких основополагающих идей о том, какой должна быть структура ДНК, у них не было, кроме предположения Крика, что это спираль. Отсюда становится ясным значение результатов экспериментальных исследований как исходного пункта для построения правильной модели ДНК.

В 1950 г. Рэндал решил усилить рентгеноструктурные исследования ДНК в Королевском колледже, пригласив физико-химика Розалинду Франклин. Ее рентгенографические исследования аморфных углей, требующие экспериментального мастерства и серьезной математической подготовки в области теории рассеяния рентгеновских лучей, снискали ей высокую репутацию среди коллег. Поскольку Уилкинс как руководитель был совершенно не нужен Франклин, оба стали заниматься изучением структуры ДНК отдельно.

Существенно улучшив способ получения ориентированных препаратов ДНК и условия съемки рентгенограмм, Розалинда сразу обнаружила две структурные формы у ДНК - кристаллическую А -форму и паракристаллическую В -форму - и показала, что свои данные Астбери получил от смеси этих двух форм. Свое внимание она сосредоточила на кристаллической А -форме ДНК, пытаясь по плотности вещества и объему ячейки определить количество цепей, проходящих через одну элементарную ячейку.

Тем временем Уотсон и Крик почти вслепую начали собирать модель ДНК из латунных стержней, изготавливаемых в мастерских Кавендишской лаборатории *. Побывав в Королевском колледже на кристаллографическом семинаре Франклин, биолог Уотсон не вынес ничего, кроме того, что молекула ДНК может состоять из трех цепей. На самом деле Розалинда подчеркивала, что если учесть молекулы воды в элементарной ячейке кристаллической формы, то масса вещества в ячейке соответствует скорее двум цепям ДНК. Ничтоже сумняшеся, Уотсон и Крик принялись строить модель спиральной структуры ДНК из трех цепей с переплетающимися фосфатно-сахарными остовами вблизи оси цилиндрической молекулы и торчащими наружу основаниями, по примеру того, что наблюдается в a-спиральных белках, где нерегулярно чередующиеся боковые группы торчат наружу. Как же иначе можно было расположить нерегулярно чередующиеся азотистые основания? Построив в течение одной недели модель, Уотсон и Крик пригласили Франклин. Она сразу спросила их, куда они девали воду, а потом разнесла модель в пух и прах как не отвечающую экспериментальным данным. Услышав об этом, Брэгг категорически запретил Уотсону и Крику заниматься играми в ДНК в его лаборатории, и они прервали свою работу на довольно продолжительное время.

* Стержневые модели атомов представляли собой сделанные в определенном масштабе рогатки из расходящихся из одной точки стерженьков под углами, соответствующими валентным углам атомов, с длинами, пропорциональными длинам валентных связей.

Надо сказать, что Уотсон и Крик были не одиноки в своей ошибке. Такую же модель построил и Полинг. Но он сделал еще более грубую ошибку, расположив заряженные фосфатные группы совсем близко друг от друга, не объяснив, почему они не отталкиваются. Ну ведь у Полинга не было экспериментальных данных о ДНК, как, впрочем, и у Уотсона с Криком, если не считать то, что постиг Уотсон на семинаре у Франклин.

Тем временем Розалинда продолжала свои эксперименты. Она получила совершенно замечательную рентгенограмму В -формы ДНК, которая сейчас называется канонической и приводится во многих учебниках [6]. Самым важным в этой рентгенограмме было расположение отражений, четко соответствующее спиральной структуре молекулы, с 10 идентичными группами в одном обороте спирали, равном 34 A и с шагом спирали в 3.4 A. Рентгенограммы свидетельствовали также, что диаметр цилиндрической молекулы ДНК равен приблизительно 20 A. Получив эту рентгенограмму, Розалинда замешкалась. Она никак не могла понять, как соотносится структура В -формы ДНК со структурой кристаллической А -формы, на рентгенограммах которой видимых признаков спиральной формы молекулы ДНК не наблюдалось.