Что открыл джеймс уотсон и фрэнсис крик
Открытие ДНК Уотсоном и Криком
Вклад в науку Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона
Открыли ли Уотсон и Крик подлинную структуру ДНК?
28 февраля 1953 года, четверг. В заведении «Игл Паб» в Кембридже наплыв посетителей, туристов и местных — как раз обеденное время. Вдруг распахивается дверь, и внутрь вбегают два молодых человека. Они подходят к бару и громко заказывают напитки. «У нас праздник, — говорит тот, что повыше. — Мы открыли секрет жизни!»
Совершив невероятный научный подвиг, Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон разгадали структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, более известной по сокращению ДНК. В этом им помогали коллеги Розалинд Франклин и Морис Уилкинс. ДНК присутствует в миллиардах клеток, составляющих наше тело. Это химическое соединение, которое является носителем генетической информации и содержит «инструкции» по построению организма.
Молекула ДНК похожа на лестницу. В ступеньках лестницы, подобно буквам алфавита, закодирована информация. Эти длинные цепочки образуют инструкции, так же как из букв собираются слова. Каждая такая инструкция (участок спирали ДНК) называется геном. Один ген может означать «цвет глаз — синий», другой — «цвет волос — каштановый». Набор генов разный у всех людей, кроме близнецов.
Благодаря открытиям Крика, Уотсона и других ученых мы научились лечить многие болезни, вызванные ошибками в генах. Мы можем отыскать преступника по оставленным им следам ДНК. Открытие ДНК заложило основы проекта «Человеческий геном», который исследует генные наборы разных людей. Так мы узнаем, какие части молекулы ДНК отвечают за те или иные свойства организма.
Гонка за ДНК
Разгадав структуру молекулы ДНК, Крик и Уотсон обошли другого известного исследователя, Лайнуса Полинга. За несколько недель до их триумфа Полинг ошибочно объявил о своей победе.
Четыре буквы генетического кода перевернули мир ровно 50 лет назад 28 февраля 2003 года исполнилось 50 лет со дня открытия структуры ДНК Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном, которое совершило революцию в биологии и медицине.
Начало этой истории можно принять за шутку. «А мы только что открыли секрет жизни!» – сказал один из двоих мужчин, вошедших в кембриджский Игл паб (Eagle pub) ровно 50 лет назад – 28 февраля 1953 года. И эти люди, работавшие в лаборатории неподалеку, нисколько не преувеличивали. Одного из них звали Френсис Крик (Francis Crick), а другого – Джеймс Уотсон (James Watson).
Уотсон и Крик открыли структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – вещества, которое содержит всю наследственную информацию. Через несколько месяцев после исторического заявления в пабе вышла осторожная публикация работы двух исследователей в журнале Nature (Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids // Nature. 1953. V. 171. P. 738-740). Статья заканчивалась предположением о том, что открытие структуры ДНК может объяснить механизмы копирования генетического материала.
К пятидесятым годам было известно, что ДНК – большая молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию маленьких молекул четырех разных видов – нуклеотидов. Также ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации, похожей на текст, написанный алфавитом из четырех букв. Неизвестными оставались пространственная структура этой молекулы и механизмы, по которым ДНК передается по наследству от клетки к клетке и от организма к организму.
В 1948 году Лайнус Полинг (Linus Pauling) открыл пространственную структуру других макромолекул – белков. Прикованный нефритом к постели Полинг несколько часов складывал бумагу, которой он пытался смоделировать конфигурацию белковой молекулы, и создал модель структуры, названной «альфа-спиралью».
По словам Уотсона, после этого открытия в их лаборатории была популярна гипотеза о спиральном строении ДНК. Уотсон и Крик сотрудничали с ведущими специалистами по рентгеноструктурному анализу, а Крик умел практически безошибочно обнаруживать признаки спирали на снимках, полученных таким способом.
Полинг тоже считал, что ДНК – спираль, причем, состоящая из трех нитей. Однако, он не мог объяснить ни природы такой структуры, ни механизмы самоудвоения ДНК для передачи дочерним клеткам.
Открытие двуспиральной структуры произошло после того, как Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) тайно показал Уотсону и Крику рентгеновский снимок молекулы ДНК, сделанный его сотрудницей Розалинд Франклин (Rosalind Franklin). На этом снимке они четко узнали признаки спирали и направились в лабораторию, чтобы проверить все на объемной модели.
В лаборатории выяснилось, что мастерская не поставила необходимые для стереомодели металлические пластины, и Уотсон вырезал из картона четыре вида макетов нуклеотидов – гуанина (G), цитозина (C), тимина (T) и аденина (A) – и стал раскладывать их на столе. 
И тут он обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином по принципу «ключ-замок». Именно таким образом соединяются между собой две нити спирали ДНК, то есть напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой, и ничто иное.
Такое расположение позволило объяснить механизмы копирования ДНК: две нити спирали расходятся, и к каждой из них достраивается из нуклеотидов точная копия ее бывшей «партнерши» по спирали. По такому же принципу, как с негатива в фотографии печатают позитив.
Очень печально сложилась судьба Розалинд Франклин. Уилкинс называл свою подчиненную исключительно «синим чулком» и находился с ней в постоянном конфликте. Хоть Франклин и не поддерживала гипотезу о спиральном строении ДНК, именно ее снимки сыграли решающую роль в открытии Уотсона и Крика. И, может, Полинг удостоился бы четвертой Нобелевской премии, если бы он смог увидеть эти снимки раньше, чем британские исследователи.
До премии, которую получили Уилкинс, Уотсон и Крик, Розалинд не дожила. Она скончалась от рака в 1958 году.
Очевидно, что открытие пространственной структуры ДНК совершило революцию в мире науки и повлекло за собой целый ряд новых открытий, без которых нельзя представить не только современную науку, но и современную жизнь в целом
В шестидесятых годах прошлого века предположение Уотсона и Крика о механизме репликации (удвоения) ДНК полностью подтвердилось. Кроме того, было показано, что в этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК-полимераза.
Примерно в то же время было совершено другое важное открытие – генетический код. Как уже говорилось выше, ДНК содержит в себе информацию обо всем, что передается по наследству, в том числе о линейной структуре каждого белка в организме. Белки, как и ДНК, представляют длинные молекулярные цепочки из аминокислот. Этих аминокислот 20. Соответственно, было неясно каким образом «язык» ДНК, состоящий из четырехбуквенного алфавита переводятся на «язык» белков, где используется 20 «букв».
Оказалось, что сочетание из трех нуклеотидов ДНК четко соответствует одной из 20 аминокислот. И, таким образом «написанное» на ДНК однозначно переводится в белок.
В семидесятых годах появились еще два важнейших метода, основанные на открытии Уотсона и Крика. Это секвенирование и получение рекомбинатной ДНК. Секвенирование позволяет «прочитать» последовательность нуклеотидов в ДНК. Именно на этом методе основана вся программа «Геном человека».
Получение рекомбинантной ДНК по другому называют молекулярным клонированием. Суть этого метода заключается в том, что в молекулу ДНК встраивают фрагмент, содержащий определенный ген. Таким образом, например получают бактерии, которые содержат ген человеческого инсулина. Инсулин, полученный таким способом, называется рекомбинатным. Этим же методом созданы все «генетически модифицированные продукты».
Как ни парадоксально, репродуктивное клонирование, о котором сейчас все говорят, появилось раньше, чем была открыта структура ДНК. Понятно, что сейчас учеными, проводящие такие эксперименты, активно используются результаты открытия Уотсона и Крика. Но, изначально, метод не базировался на нем.
Следующим важным шагом науки стала разработка в восьмидесятых годах полимеразно-цепной реакции. Эта технология используется для быстрого «размножения» нужного фрагмента ДНК и уже нашла множество применений как в науке, так в медицине и технологии. В медицине с помощью ПЦР проводят быструю и точную диагностику вирусных заболеваний. Если в массе ДНК, полученной из анализа пациента, даже в минимальном количестве есть гены, принесенные вирусом, то с помощью ПЦР можно добиться их «размножения» и после этого легко идентифицировать.
Кроме того, что открытие Уотсона и Крика стало основой множества научных исследований, включая знаменитый проект «Геном человека», молекула ДНК оставила след в современной живописи, кинематографе, архитектуре.
Интриги, ложь и странные случайности — как учёные открывали структуру ДНК
8 июня — день рождения Фрэнсиса Крика, который вместе с Джеймсом Уотсоном получил Нобелевскую премию за открытие структуры ДНК. Это событие перевернуло историю биологии, а история открытия похожа на детективный роман.
«Раньше мы считали, что наша судьба написана на звёздах. Сегодня мы знаем, что наша судьба в большей степени написана в наших генах».
Будет что открыть
В 1916 году, в разгар Первой мировой войны, в семье выходцев из среднего класса Гарри и Анны-Элизабет Крик родился сын Фрэнсис. Крики жили в центре Англии у Нортгемптона. Гарри управлял обувной фабрикой своего деда. Его дедушка, Уолтер Дробридж Крик, был биологом, геологом и палеонтологом; он даже писал статьи в соавторстве с Чарльзом Дарвином.
Дома у Криков придерживались старинных обычаев — например, старались, чтобы первый гость, переступивший порог в Новый год, оказался темноволосым, а не блондином: считалось, что это приносит удачу. После рождения Фрэнсиса вынесли на крышу дома, чтобы гарантировать мальчику «восхождение на вершину».
Анна-Элизабет, как многие мамы, полагала, что ее сын наделен исключительными талантами, и делала все для того, чтобы развить его способности: мальчику покупали книги, он жадно читал, особенно любил «Детскую энциклопедию». Больше всего его интересовали естественные науки. Как устроена Вселенная? Что такое атомы? Откуда все берется? Фрэнсис решил стать ученым — правда, он боялся, что, когда вырастет, всё на свете уже откроют. «Не переживай, зайчик, — сказала мама. — Тебе еще будет что открыть».
В 10 лет Фрэнсис начал проводить эксперименты: ему купили учебник по химии. Он пытался получить искусственный шелк (неудачно), взрывал различные смеси (с большим успехом), собирал гербарии, издавал рукописный журнал. Но он не был ни вундеркиндом, ни даже ребенком с выдающимися способностями: просто отличался любознательностью, предприимчивостью и энергией.
В 12 лет Фрэнсис сказал родителям, что больше не пойдет в церковь: его интерес к науке трансформировался в религиозный скептицизм и атеизм.
«Я рано осознал, что в свете обстоятельного научного знания некоторых религиозных верований придерживаться затруднительно. Знание реального возраста Земли и палеонтологических данных не позволяет никому, кто наделен рациональным мышлением, верить в буквальную истинность каждой строчки Библии, как верят в нее фундаменталисты».
Критерий сплетни
Учился Фрэнсис Крик в самой обычной школе Нортгемптона; в 14 за успехи в учебе он получил стипендию на обучение в частной лондонской школе Милл Хилл. Это была школа для мальчиков, где неплохо преподавали точные и естественные науки; особое внимание уделялось физике, химии и математике. 7 июня 1933 года он получил премию Уолтера Нокса по химии.
Фрэнсис увлекся физикой. В 18 лет он поступил в Лондонский университетский колледж, в 21 сдал итоговый экзамен по физике и математике с отличием; преподавание в лондонском университете было «грамотным, но несколько старомодным»: квантовой механике, например, отводилось шесть лекций, а что касается математики, то теорию групп на занятиях даже не упоминали.
После университета Фрэнсис занялся исследованиями в Университетском колледже Лондона: изучал коэффициент вязкости воды под давлением (позже он назвал свою тему «самая неинтересная научная проблема»). В начале 1940 года он перешел в Адмиралтейскую лабораторию научных исследований, женился, а во время войны работал в отделе проектирования морских мин.
После окончания войны Крика ждало место в отделе научной разведывательной информации Адмиралтейства в Лондоне, но он решил изменить свою научную специальность. Фрэнсис мечтал о фундаментальных, а не о прикладных исследованиях. Но чем именно он хотел заниматься, только предстояло выяснить.
В 1947 году Крик начал изучать биологию. Ему пришлось перейти от «элегантности и глубокого понимания» физики на «сложные химические механизмы, естественный отбор которых развивался в течение миллиардов лет».
Ученый писал, что для того чтобы перейти от физики к биологии, нужно «почти заново родиться»
Свой переход он объяснил тем, что физика уже и так достигла больших высот — необходимо было развитие биологических дисциплин. Крика очень воодушевляла эта мысль. Фрэнсиса многое интересовало в биологии — больше всего граница между живым и неживым и работа мозга. Он назвал этот интерес «критерием сплетни»: предметом истинных интересов является то, о чем хочется рассказывать приятелям.
Выбрать между молекулярной биологией и нейробиологией было непросто; Крик решил, что знание физики поможет ему в первой из областей. Для того чтобы в 30 лет изменить научную специальность, предстояло многое наверстать: прежде всего органическую химию, биологию, биофизику. Крик старался много читать, самообразовываться, посещать семинары вольнослушателем. И стал искать себе новую работу.
Тайна живого и неживого
Так Фрэнсис Крик попал в Кавендишскую лабораторию физического факультета Кембриджа, где в 1949 году началась работа по изучению структуры белков методом рентгеновской дифракции.
Любой биолог после открытий Дарвина и Менделя задумывался, как именно в живой природе передается наследственная информация. Спор о носителях наследственности стал, пожалуй, главной проблемой биологии середины ХХ века. В модели наследственности как смешения свойств родителей у потомства должна была все время появляться смесь свойств родителей.
Бессмертная Генриетта Лакс: как мать пятерых детей изменила медицину
В дискретной модели наследственности гены — носители наследственных признаков не смешиваются, а лишь перекомбинируются. Опыты Менделя доказали дискретную природу наследственности — в них было ясно показано, что в третьем поколении регулярно появляются признаки первого поколения. В начале XX века открытия Менделя и Дарвина дождались Рональда Фишера — человека, соединившего биологию с математикой и математически обосновавшего менделевскую генетику и менделевские законы наследственности. И так было доказано, что наследственность дискретна, она состоит из генов, но как осуществляется процесс передачи?
В Кавендишской лаборатории с помощью рентгенографии белков хотели понять технологию передачи наследственной информации. К тому моменту уже было известно, что белки, осуществляющие функции ферментов, вовлечены в эти процессы. ДНК была лучшим кандидатом на передачу наследственной информации. Сегодня мы знаем, что ДНК является матрицей и носителем генетической информации, но, помимо этого, важнейшую роль в чтении, регуляции и передаче, связанных с наследственной информацией, играют РНК и белки. Пахло несколькими Нобелевскими премиями и огромным научным прорывом.
В Кембридже, Лондоне и Калифорнии
В то время над структурой ДНК работали три команды исследователей в Америке и Англии: в Калифорнии — Лайнус Полинг, в Кавендишской лаборатории Кембриджа — Уотсон и Крик, в Университетском колледже Лондона — Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.
Полинг, только что открывший структуру белка, мог легко стать первым и в определении структуры ДНК, поэтому все команды спешили. История открытия драматична, а сюжет похож на детективный: в нем есть обиды, передергивания, ложь, этически сложные решения и то, что называется человеческим фактором.
Директор Кавендишской лаборатории решил пойти по неизбитому пути: он пригласил на работу Джеймса Уотсона, молодого американского биолога английского происхождения. Уотсон был вундеркиндом: в 23 он уже защитил докторскую диссертацию по биологии (о воздействии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов), решил посвятить свою жизнь генетике и интересовался физикой. Фрэнсису Крику было 33, и в 1949-м он был всего лишь начинающим аспирантом-биофизиком, правда, со знаниями в нескольких областях; внимательным и наблюдательным самоучкой. Крик уже работал в рентгенографии и кристаллографии над структурой белков и неплохо понимал рентгенограммы. Итак, в Кембридже были биолог с интересом к физике и физик, увлекшийся биологией. Но, пожалуй, главным было то, что 23-летний Уотсон и 33-летний Крик неплохо работали вдвоем: они шутили и могли после работы сходить в паб. Как увидим, человеческие отношения значили многое в этом открытии.
Радий — элемент-убийца, который долгое время считали лекарством. История Марии и Пьера Кюри
По-другому сложилась обстановка в Университетском колледже Лондона. В то время Медицинским исследовательским советом в отделении биофизики, где изучали структуру ДНК, руководил Джон Рэндалл, который собрал интересную команду: заместителем был его бывший аспирант Морис Уилкинс, талантливый физик, недавно вернувшийся из Беркли, где он принимал участие в проекте «Манхэттен». Уилкинс был замечательным ученым, и Рэндалл очень стремился привлечь его в проект: он пообещал Уилкинсу руководство исследованиями ДНК. Талант биофизика Розалинд Франклин, успешной ученой-рентгенографа, совершенствовавшей технику микросъемки и добивавшейся удивительных по четкости рентгенограмм молекул, был востребован во Франции; чтобы переманить ее в Лондон, Рэндалл втайне от Уилкинса пообещал ей ту же позицию — руководителя исследования. Это создало в лаборатории напряженную атмосферу: Уилкинс ждал от Франклин подчинения, а она требовала того же от Уилкинса; дошло до откровенной неприязни — Уилкинс звал ее «синим чулком», она не молчала в ответ. Как знать — если бы не ссора между ними, кто открыл бы структуру ДНК?
Фотография 51
Ключевую роль в решении задачи о строении ДНК сыграла рентгеновская фотография 51, сделанная в Университетском колледже Лондона Розалинд Франклин и ее аспирантом Раймондом Гослингом. Эта фотография была получена с такой точностью, потому что Франклин, хорошо знавшая физическую химию, умело управляла гидратацией образцов, а благодаря своему опыту в работе с дифрактором внесла усовершенствования в аппарат для съемки и настроила его.
До этого все лаборатории пытались снять молекулу в разных проекциях, но снимки получались нечеткими. Уилкинс считал, что ДНК имеет спиральную структуру, Франклин ему возражала, а Лайнус Полинг считал, что молекула должна состоять из трех спиралей.
Розалинд Франклин получила фотографию 51 в мае 1952 года на дифрактометре усовершенствованной ею конструкции. В январе 1953 года Джеймс Уотсон посетил лабораторию Рэндалла — обе лаборатории финансировались Советом по медицинским исследованиям. Британцы спешили: Лайнус Полинг опубликовал препринт статьи о трехспиральной ДНК, и, если он увидит новые данные, он, разумеется, предположит, что спиралей две. Морис Уилкинс показал (без ведома Франклин) очень четкую фотографию 51, на которой явно были видны две спирали ДНК, Джеймсу Уотсону. Интересно, что сын Лайнуса Полинга, Питер, работал в лаборатории вместе с Уотсоном и Криком, и поэтому они видели препринт статьи Полинга о трехспиральной структуре.
Много лет не стихают споры, почему Уотсон и Крик получили доступ к результатам Розалинд Франклин и не спросили у неё разрешения перед публикацией. Вышло, как говорится, не очень. Сэр Джон Рэндалл впоследствии настаивал, что все работы по ДНК принадлежат Совету по медицинским исследованиям; в начале 1953 года Розалинд Франклин уволилась из лаборатории Университетского колледжа.
Вырезай и склеивай, или Аденин, тимин, цитозин, гуанин
28 февраля 1953 года ликующий Фрэнсис Крик вошел в паб Eagle в Кембридже и объявил, что он и Джеймс Уотсон «нашли секрет жизни».
Месяцем позже Уотсон и Крик собрали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.
Доступ Крика к результатам расчетов Франклин конца 1952 года, увиденная Уотсоном фотография 51 давали подтверждение догадкам, что ДНК — двойная спираль. Но как устроена сама эта двойная спираль, из чего она состоит, как устроены цепи и процесс репликации, — это открыли Уотсон и Крик.
Реконструкция модели двойной спирали ДНК Крика и Уотсона 1953 года
Фото: The Board of Trustees of the Science Museum / CC BY-NC-SA 4.0
Ключевой проблемой, которую необходимо было разгадать, было понимание того, как нуклеотидные основания образуют ядро двойной спирали. Закономерности связи нуклеотидов между собой навели ученых на мысль о комплементарности азотистых оснований. Окончательные правильные соотношения (A-T, G-C) были получены Уотсоном. Он нарезал из картона детали, моделирующие молекулы пуринов и пиримидинов, и стал раскладывать вырезки на столе.
Между прочим, в замечательной книге «Исчезающая ложка» Сэма Кина об истории химических элементов и открытий в главе о Лайнусе Полинге и открытии ДНК упоминается некий коллега Уотсона и Крика, заметивший равное процентное соотношение аденина — тизина в сухой ДНК; он пытался поделиться этим открытием с Полингом, тот отмахнулся, а вот Уотсон и Крик его выслушали и выводы сделали правильные. Кин не называет фамилии этого ученого.
За открытие структуры ДНК Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик совместно с Морисом Уилкинсом в 1962 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине, Франклин премию не получила: она умерла от рака в 1958 году.
19 марта 1953 года Крик написал сыну, который учился в британской школе-интернате, письмо об открытии. 10 апреля 2013 года это письмо было продано на аукционе Сhristie’s в Нью-Йорке за 6 миллионов долларов.
После открытия спирали
В 1954 году в возрасте 37 лет Фрэнсис Крик закончил работу над диссертацией и получил докторскую степень. Затем он занялся механизмами синтеза белка в Политехническом институте Бруклина в Нью-Йорке; потом вернулся в Кембридж, где работал до 1976 года, затем переехал в Калифорнию, в Институт Солка. В 1958-м на выборах профессора генетики в Кембридже Крик был забаллотирован и не получил должность.
Несколько десятилетий Крик посвятил молекулярной биологии и процессам ДНК —> РНК —> белок; кроме этого, он поработал и во второй интересовавшей его области — нейробиологии.
Последовательного атеиста, его занимал вопрос, почему так много людей религиозны, несмотря на то что простая логика разбивает многие из религиозных утверждений в прах. Он предложил новое направление для исследований, которое назвал «биохимической теологией». Крик писал: «К молитве прибегает столь много людей, что трудно поверить, что она не приносит им удовлетворения». Он предлагал провести исследования людей за молитвой и предполагал, что при определенных условиях мозг верующих может вырабатывать дофамин.
Крик был ярым противником преподавания креационизма в школах и выдвигал идею сделать День Дарвина британским национальным праздником
Кроме того, Крик был сторонником идеи панспермии — распространения жизни во Вселенной; он считал, что производство живых систем из молекул — уникально редкое явление во Вселенной.
Крик — автор четырех книг: «О молекулах и людях», «Жизнь как она есть: ее происхождение и сущность», «До чего же дикая погоня: личное представление о научном открытии» и «Удивительные гипотезы: научный поиск души» — они дают представление о его мастерстве рассказчика, чувстве юмора и широте интересов, благодаря которой коллеги называли его «интеллектуальной электростанцией». Говорили, что подлости в нем не было ни на йоту, а вот смелости высказывать научные идеи — много.
«Человека с узким кругозором легко увлечь лженаукой». Биолог Александр Панчин — о том, зачем детям изучать научный метод
Фрэнсис Крик умер в 88 лет в 2004 году в Калифорнии. А последствия их с Уотсоном открытия все еще служат человечеству. В 70-х годах появилось несколько важнейших научных методов, основанных на открытии Уотсона — Крика. Секвенирование позволяет изучать последовательность генов и проводить масштабные исследования вроде «Генома человека». Генетически модифицированные продукты, полимеразная цепная реакция (да-да, тот самый ПЦР-тест, который мы с вами постоянно сдавали весь прошлый год) — быстрая и точная диагностика вирусных заболеваний — всеми этими вещами человечество обязано Фрэнсису Крику и Джеймсу Уотсону.
На обложке: Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон. Фото: Shutterstock / Billion Photos, Wikimedia Commons / Wellcome Collection / CC BY 4.0
В статье использованы цитаты из книги Фрэнсиса Крика »Что за безумное стремленье», вышедшей в 2020-м году в издательстве АСТ.