Что открыл уотсон и крик в биологии
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.
Френсис Крик и Джеймс Уотсон «Открытие вторичной структуры ДНК»
Работа по биологии
«Открытие вторичной структуры ДНК»
Начало этой истории можно принять за шутку. «А мы только что открыли секрет жизни!» – сказал один из двоих мужчин, вошедших в кембриджский Игл паб ровно 57 лет назад – 28 февраля 1953 года. И эти люди, работавшие в лаборатории неподалеку, нисколько не преувеличивали. Одного из них звали Френсис Крик, а другого – Джеймс Уотсон.
Родился 8 июня 1916 в городе () Нортгемптон в Англии.
В военные годы Крик занимался созданием мин в научно-исследовательской лаборатории Военно-морского министерства Великобритании. В течение двух лет после окончания войны он продолжал работать в этом министерстве и именно тогда прочитал известную книгу Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки», вышедшую в свет в 1944 году. В книге Шрёдингер задается вопросом: «Как можно пространственно-временные события, происходящие в живом организме, объяснить с позиции физики и химии?»
Идеи, изложенные в книге, настолько повлияли на Крика, что он, намереваясь заняться физикой частиц, переключился на биологию. При поддержке Уилла Крик получил стипендию Совета по медицинским исследованиям и в 1947 году начал работать в Стрэнджвейской лаборатории в Кембридже. Здесь он изучал биологию, органическую химию и методы рентгеновской дифракции, используемые для определения пространственной структуры молекул.
Джеймс Девей Уотсон
Родился 6 апреля 1928 года в Чикаго (штат Иллинойс) в семье Уотсона, бизнесмена, и Джин (Митчелл) Уотсон и был их единственным ребенком.
В Чикаго он получил начальное и среднее образование. Вскоре стало очевидно, что Джеймс необыкновенно одаренный ребенок, и его пригласили на радио для участия в программе «Викторины для детей». Лишь два года проучившись в средней школе, Уотсон получил в 1943 году стипендию для обучения в экспериментальном четырехгодичном колледже при Чикагском университете, где проявил интерес к изучению орнитологии. Став бакалавром естественных наук в университете Чикаго в 1947 году, он продолжил образование в Индианском университете Блумингтона.
К этому времени Уотсон заинтересовался генетикой и начал обучение в Индиане под руководством специалиста в этой области Германа Дж Меллера и бактериолога Сальвадора Лурия. Уотсон написал диссертацию о влиянии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии) и получил в 1950 году степень доктора философии. Субсидия Национального исследовательского общества позволила ему продолжить исследования бактериофагов в Копенгагенском университете в Дании. Там он проводил изучение биохимических свойств ДНК бактериофага. Однако, как он позднее вспоминал, эксперименты с фагом стали его тяготить, ему хотелось узнать больше об истинной структуре молекул ДНК, о которых так увлеченно говорили генетики.
В октябре 1951 года ученый отправился в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета для исследования пространственной структуры белков совместно с Кендрю. Там он познакомился с Фрэнсисом Криком, (физиком, интересовавшимся биологией), писавшим в то время докторскую диссертацию.
Впоследствии у них установились тесные творческие контакты. «Это была интеллектуальная любовь с первого взгляда, – утверждает один историк науки. Несмотря на общность интересов, взглядов на жизнь и стиль мышления, Уотсон и Крик беспощадно, хотя и вежливо, критиковали друг друга. Их роли в этом интеллектуальном дуэте были разными. «Френсис был мозгом, а я – чувством», – говорит Уотсон
Начиная с 1952 года, основываясь на ранних исследованиях Чаргаффа, Уилкинса и Франклин, Крик и Уотсон решили попытаться определить химическую структуру ДНК.
К пятидесятым годам было известно, что ДНК – большая молекула, состоящая из соединенных между собой в линию нуклеотидов. Также ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации. 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 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 тайно показал Уотсону и Крику рентгеновский снимок молекулы ДНК, сделанный его сотрудницей Розалиндой Франклин. 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.
В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися, сделав сообщение о структуре ДНК в феврале 1953 года.
Месяцем позже они создали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.
Согласно модели Крика-Уотсона ДНК представляет двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединенных парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином.
Можно поменять местами:
а) участников данной пары;
б) любую пару на другую пару, и это не приведет к нарушению структуры, хотя решающим образом скажется на ее биологической активности.
Структура ДНК, предложенная Уотсоном и Криком, отлично удовлетворяла главному критерию, выполнение которого было необходимо для молекулы, претендующей на роль хранилища наследственной информации. «Остов нашей модели в высокой степени упорядочен, и последовательность пар оснований является единственным свойством, которое может обеспечить передачу генетической информации», – писали они.
«Наша структура, – писали Уотсон и Крик, – состоит, таким образом, из двух цепочек, каждая из которых является комплементарной по отношению к другой».
Уотсон написал об открытии своему шефу Дельбрюку, а тот – Нильсу Бору: «Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году». Стоит напомнить, что в 1911 году Резерфорд открыл атомное ядро.
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.
Хоть Розалинда Франклин и не поддерживала гипотезу о спиральном строении ДНК, именно ее снимки сыграли решающую роль в открытии Уотсона и Крика.
Позже предложенная Уотсоном и Криком модель строения ДНК была доказана. А в 1962 г. их работа была отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи». Среди лауреатов не было скончавшейся к тому времени (от рака в 1958 году) Розалинды Франклин, так как премия не присуждается посмертно.
ём из Каролинского института сказал на церемонии вручения премии: «Открытие пространственной молекулярной структуры ДНК является крайне важным, т к. намечает возможности для понимания в мельчайших деталях общих и индивидуальных особенностей всего живого». Энгстрём отметил, что «расшифровка двойной спиральной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты со специфическим парным соединением азотистых оснований открывает фантастические возможности для разгадывания деталей контроля и передачи генетической информации».
После опубликования описания модели в английском журнале «Нейче» в апреле 1953 года тандем Крика и Уотсона распался.
Кислота, расширившая горизонты
Ровно 64 года назад Джеймс Уотсон вдруг сообразил, как элегантно и просто могла бы быть устроена жизнь
Поделиться:
1. На что похожа ДНК?
Когда в глупых фантастических фильмах ученые смотрят в микроскоп и видят там ДНК, на экране их суперкомпьютера сразу возникает трехмерная, красиво подсвеченная картинка двойной спирали. Вроде вот этой.
Фото: Shutterstock
Такой романтизированный образ ДНК возникает не только у невежд: даже студенты-биологи, впервые приходя в молекулярную лабораторию (вроде автора этих строк в 1982 году) рассчитывают увидеть нечто похожее. На самом деле они видят прозрачную жидкость в пробирке. Это поначалу страшно разочаровывает.
Фото: Shutterstock
В обычной концентрации (около 1 миллиграмма на пол чайной ложки) раствор ДНК выглядит как водичка, если замесить погуще — скорее похоже на глицерин, еще добавить — будут сопли или студень. Красивой ДНК становится в том случае, если осадить ее, добавив спирт. Это происходит вот так:
Осадок ДНК, плавающий в жидкости этакой галактической соплей, со звездочками-пузырьками, впервые намекает студенту, что в этой штуке есть что-то мистическое. В сопле, показанной на этой картинке, может быть порядка миллиграмма ДНК.
Фото: Gravitywave/Flickr
Люди, снимающие фильмы о науке, галактическими соплями себя не ограничивают. Обычно в таких фильмах показывают девушку в белом халате, которая капает пипеткой что-то синенькое.
Фото: Shutterstock
Девушка добавила в пробирки краситель не для того, чтобы покрасоваться перед телевизионщиками: просто таким образом ей удобнее наносить прозрачные пробы ДНК на прозрачный студень-мармелад, чтобы разделить молекулы электрическим напряжением. Это тоже красиво и тоже нередко попадает в кадры телевизионного научпопа.
Фото: Wikipedia
В более серьезных фильмах показывают часто не саму ДНК, а то, что попадает в руки ученых из прибора-секвенатора (это тот самый прибор, который, как говорится, «расшифровывает гены»). Этот продукт выглядит так.
Когда автор этих строк был молод и свеж, а умные приборы еще не были изобретены, расшифрованные гены выглядели по-другому: вот так.
Фото: cse.dmu.ac.uk
Это почти все картинки с ДНК, которые мы хотели вам сегодня показать.
Осталась всего одна — та самая рентгенограмма, рассматривая которую, Уотсон и Крик сделали свое открытие 21 февраля 1953 года.
2. Что открыли Уотсон и Крик в 1953 году?
Уотсон и Крик не только угадали, как устроена ДНК, но и создали ей — просто в силу своего редкостного тщеславия — исключительный пиар. О том, что ДНК — наше все, знают даже те, кто не слишком уверен в вымышленности образов лешего и кикиморы. Нет, наверное, более знаменитой химической молекулы. Ну скажите, какой еще термин из химии так широко используется метафорически, как, например, в завораживающе бессмысленной фразе «Море — ДНК бренда Panerai»?
На самом деле Уотсон и Крик не открывали ДНК — про такую молекулу* наука знала и до них. Было известно и то, что эта загадочная штука — носитель наследственности. Знали, что ДНК — это цепочка молекул сахара, соединенных через атом фосфора, причем к каждому сахару приделано азотистое основание, одно из четырех. Знали даже, что ДНК имеет форму спирали.
А 21 февраля 1953 года Уотсону пришло в голову всего одно уточнение: рисуя на бумаге формулы азотистых оснований так или этак, он вдруг сообразил, что их пары очень точно подходят друг к другу. Аденин (А) будто создан, чтобы быть рядом с тимином (Т). Гуанин (Г) прекрасно подходит к цитозину (Ц).
Это сразу придало смысл и спирали, — конечно, она должна быть двойной, а не тройной, как думали эти ребята раньше, — и тому странному факту, что пропорции А и Т, Г и Ц в препаратах ДНК всегда были равны. Появился смысл у странных пятен сверху и снизу на рентгенограмме — конечно, это стопки плоских молекул азотистых оснований, развешенных вдоль сахарного каркаса. А еще это придало смысл всей жизни на земле: именно так, через спаривание азотистых оснований, эта самая жизнь могла бы размножаться.
Уотсон и Крик были странной парой. Первый — 28-летний доктор биологии на (не слишком блестящем) старте карьеры. Второй — возрастной (уже на четвертом десятке) аспирант, чья предыдущая карьера в физике была прервана мировой войной. Оба были чудовищно амбициозны, но уотсоновское тщеславие еще было легкомысленным, а вот Крик уже просто не мог позволить себе третью попытку. Именно благодаря Френсису Крику человечество запомнило не только тот день (28 февраля), когда ученые объявили о своем открытии в кабачке под названием «Орел», а самую дату первого уотсоновского озарения. Он сразу понял, что именно открыл его младший по возрасту и старший по карьере коллега.
Дальше там, правда, авторы упомянули и о том, что, по их мнению, они разгадали тайну жизни. Эта фраза звучит так: «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, естественно предполагает и возможный механизм копирования генетического материала». Вот в такой деликатной форме ученые сообщают миру о том, что схватили Бога за бороду.
3. ДНК в Российской Федерации
Недавно по интернету пробежала информация о том, как легко и просто у себя дома выделить ДНК из собственной слюны, которая восходит к англоязычному оригиналу. Дорогие читатели! Таким способом ДНК выделить нельзя (хотя бы потому, что в слюне ее ничтожно мало). Таким способом вы получите полисахариды**, которых в слюне полно. Мы уже упомянули выше, что ДНК — это в принципе тоже полисахарид, но полисахарид полисахариду рознь.
На этом примере видно, что тема ДНК в массовом сознании пока не раскрыта.
Со времен открытия Уотсона и Крика идет седьмой десяток лет, но в научных (!) журналах по-прежнему публикуются статьи наподобие вот этой. Читатель-биолог сразу увидит комический аспект публикации. Для остальных объясним, что в этой работе башкирские ученые рассказывают о том, как выделять ДНК из разных объектов (вроде волос и слюны) для целей криминалистики. Интрига раскрывается в конце: то, что они выделили, похоже, вовсе не является ДНК, хотя вопросы начинают возникать уже при рассматривании таблицы на первой странице работы — слишком уж много чего-то непонятного выделилось у ребят из 0,8 мл слюны.
Если нашего уважаемого читателя осудят за убийство на основании анализа ДНК и эксперт-криминалист будет ссылаться на работу ученых Башкирского университета, знайте, что вас подставили. Хоть это вам вряд ли поможет. Сидя на нарах, вы можете утешаться мыслью, что наука движется вперед. А главное событие, предопределившее ваши неурядицы, произошло 21 февраля 1953 года, когда Джеймс Уотсон и Френсис Крик разгадали важную тайну жизни.
* Знала, хоть и называла ее по-разному. В самой статье Уотсона и Крика они называли ее «дезоксирибозной нуклеиновой кислотой», а их коллеги-рентгеноструктурщики, чьи статьи опубликованы в том же номере Nature, величали героиню «дезоксипентозной нуклеиновой кислотой».
** В комплексе с белками. Вот этот конкретный, из слюны, называется муцин.