Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК

Сравните это с открытием, которое как будто с неба свалилось в ум, который был совершенно не готов к этому, поскольку все только начиналось и, как после Большого взрыва, до этого момента ничего не существовало.

История ДНК начинается с блестящего молодого человека, который был близок по возрасту к Джиму Уотсону и также работал в университетском городе, средневековые здания которого смотрели на живописную реку. На этом какое-либо сходство заканчивается. Экспериментальная база этого молодого человека довольно мрачна, в основном потому, что ему так нравилось; в наш более щепетильный век его лаборатория была бы закрыта Европейским агентством по безопасности труда и охране здоровья на рабочем месте вследствие многочисленных нарушений директивы 89/684/ЕЭС.

А его исходный материал, с которого началась вся сага о ДНК, еще менее привлекателен: сильно испачканные зловонные медицинские отходы, которые в наше время сразу отправились бы на сжигание.

Глава 2

Вначале[8]

Чрезвычайно холодное утро декабря 1868 года. Мы в Тюбингене, в самом сердце Германии, смотрим на черные воды реки Неккар. Наша наблюдательная позиция находится на втором этаже фахверкового здания Alte Burse на краю старого города. На протяжении трех с половиной столетий в этом помещении располагалось студенческое общежитие; теперь здесь хирургическая палата Университетской клиники. За окном суровая зима, голые ветви платанов покрыты шапками снега, а температура колеблется у отметки нуля. Внутри пациенты готовятся к приходу хирурга и снимают повязки со своей намокшей плоти.

Хирург – мастер своего дела. Если повезет, он может вырезать вам камень размером с игрушечный шарик из мочевого пузыря меньше чем за три минуты, и в два раза быстрее отрежет вам ногу. Скорость – это не только профессиональный коммерческий довод. Благодаря недавнему изобретению эфира больше не приходится жалеть, что ты не проспал всю операцию, но переливание крови все еще остается чем-то из области фантастики; пара упущенных минут на операционном столе может решить исход дела не в пользу выживания.

Хирург осматривает обнаженные раны, а затем обращает внимание на пропитанные гноем повязки, которые их покрывали. Он знает толк в гное, подобно тому, как древний прорицатель верил, что может предсказывать будущее по внутренностям жертвенного животного. «Доброкачественный» гной – бледный с относительно слабым запахом – это хороший знак; потемнение и неприятный запах указывают на то, что гной стал хуже и что пациент вскоре пойдет по тому же пути.

Хотя и был очень искусным, хирург не знал, что на самом деле происходит в гное. Это поле боя, схватка не на жизнь, а на смерть между атакующими бактериями и миллиардами белых клеток крови пациента. Хирург мог слышать о микробах, но понятие об инфекции не укоренится у него в мозгу в течение еще 20 лет. А пока он будет поднимать на смех любого, кто дерзнет предположить, что ему следовало бы мыть руки между операциями – или даже между посещением зала для проведения вскрытий и операционной.

После прихода хирурга пропитанные гноем повязки обычно стирали или сжигали, если они уже не могли быть повторно использованы. Этим утром, однако, повязки аккуратно сложили в сторону для тихого молодого швейцарца, который надеялся стать врачом. Он их отсортирует, выбросит пахнущие особенно неприятно и отнесет остальные на вершину крутого холма, где высоко над Неккаром возвышается замок XII века с башнями. Что он там будет с ними делать – остается только гадать.

В поисках химии жизни

Фридрих Мишер[9] родился в августе 1844 года и получил почти аристократическое воспитание в процветающем швейцарском городе Базеле. Его семейное древо было хорошо удобрено наследственным богатством, отец и дядя были влиятельными профессорами медицинского факультета в университете, самом уважаемом в Швейцарии. Молодой Фриц был особенно близок с дядей Вильгельмом Гисом, профессором физиологической патологии, который взял на себя руководство карьерой племянника.

Детство Мишера было пронизано музыкой, литературой и учеными беседами и было омрачено лишь встречей с вошью, которая своим скромным способом изменила ход развития науки. Вошь заразила парня тифом, после чего он приобрел глубокую глухоту. Он доблестно боролся со своим недугом и стал лучшим в классе медицинской школы в Базеле – только чтобы понять, что его стремление стать врачом разбилось о то, что он ничего не слышит через стетоскоп. Вильгельм Гис, обеспокоенный тем, что «значительные умственные дарования» его племянника могут пропасть даром, направил его в сторону «величия исследований» и велел ему мыслить смело. Мишер, которому было 24 года, быстро направил свой курс на лабораторную скамью и поставил перед собой задачу расшифровать химию жизни.

Было лишь одно место, куда мог пойти многообещающий юноша: Тюбинген, первая в Европе лаборатория физиологической химии. Она была недавно открыта Феликсом Гоппе-Зейлером, чрезвычайно энергичным человеком за 40, на фоне которого другие восходящие звезды выглядели довольно блекло. Гоппе-Зейлер прославился серией поразительных открытий в новой области химии белков; термины «гемоглобин» и «протеин» были введены им.

Лаборатория Гоппе-Зейлера начала свое существование в качестве кухни и прачечной замка Хоэнтюбинген, который недавно перешел к университету. Это был настоящий конвейер для людей, мечтающих стать исследователями, со всех концов Европы, все они жаждали учиться искусству и науке химии белков у самого мастера. Стиль руководства Гоппе-Зейлера не предполагал его участия в процессе; после первоначального краткого инструктажа вновь прибывшему давался проект, и он предоставлялся собственным методам. К счастью, сфера была новой, а живые организмы были битком набиты белками, ждущими своего открытия; лаборатории сопутствовал феноменальный успех.

Мишер попал в этот рассадник исследователей в октябре 1868 года. Ему было выделено место в плохо переоборудованной кухне рядом с личной лабораторией руководителя (в прошлом – прачечной) и поручено найти увлекательные белки в белых клетках крови (лейкоцитах), которые представляли собой неизведанную область для специалистов по химии белков. Гоппе-Зейлер предположил, что гной мог бы быть хорошим источником лейкоцитов и попросил своего нового стажера сообщить, когда он добьется успеха.

Мишеру потребовались недели, чтобы придумать способ извлечения лейкоцитов из пропитанных гноем повязок путем повторения циклов промывки и фильтрации. Как ожидалось, он выделил четыре новых белка – а затем открыл нечто[10] столь неожиданное, что закончил свою карьеру в модной специализации «химия белков». Момент озарения может не показаться столь захватывающим: когда Мишер добавил кислоту в экстракт гноя, появился рыхлый серый осадок, а затем растаял при добавлении щелочи. Тем не менее это было поразительно, поскольку белки не реагируют подобным образом; и по некоторым причинам необычность материала заставила Мишера задуматься, не происходит ли он из ядра, округлой структуры в центре клетки, которая недавно начала вызывать интерес.

Не спрашивая Гоппе-Зейлера, Мишер прекратил поиски белков, а вместо этого сосредоточился на рыхлом осадке, который можно найти в ядрах клеток гноя. Всю зиму 1868–1869 годов он упорно работал над тем, что никогда не делалось раньше – выделение неповрежденных ядер из живых клеток. Рабочий день Мишера начинался в пять утра и зачастую продолжался до глубокой ночи; он поддерживал в своей кухне-лаборатории лютый холод, оставляя все окна открытыми, поскольку зимняя погода способствовала его экспериментам.

Извлекать ядра из клеток – все равно что доставать косточки из вишен, которые составляют менее одной тысячной их обычного размера. Современная настольная центрифуга справится с этой задачей за пару часов, но Мишеру для извлечения ядер потребовались недели. Клетки гноя аккуратно смывались с замоченных грязных повязок, фильтровались через простыню и отстаивались в холодном солевом растворе в течение двух недель. Цикл повторялся до получения мелкозернистого осадка из целых лейкоцитов. Мишер расщеплял их посредством промывки слабой кислотой и добавлял экстракт свиного желудка (богатого ферментами, переваривающими белки) для удаления клеточного мусора. После этого оставался осадок, который, как было видно под микроскопом, состоял из чистых «совершенно голых» ядер[11]. Они действительно являлись источником интересного материала, который заставил его оторваться от белков. При добавлении щелочи ядра быстро превращались в желтый раствор, из которого, если добавить кислоту, получалось загадочное серое рыхлое вещество.

Мишер потратил несколько недель на сбор достаточного количества этого осадка, чтобы разобраться с его составом при помощи кропотливого метода, который предусматривал сжигание взвешенных образцов и измерение продуктов горения. Это привело к еще одной неожиданности. Углерод, водород, азот и кислород (C, H, N и O), содержащиеся в белках, были в наличии, а сера (S), еще один отличительный компонент белков, не наблюдалась. Вместо нее материал сдержал большое количество фосфора (P). Это подтвердило, что вещество не являлось белком. На самом деле, оно не напоминало ни одно соединение, известное биохимии.

В честь его источника Мишер назвал вещество нуклеином. При старте с нулевой отметки от пропитанных гноем повязок в конце октября Мишер добился поразительного успеха, особенно принимая во внимание, что он все делал сам. Лаборатория Гоппе-Зейлера располагалась по соседству, но руководителя было невозможно поймать, он постоянно метался между собственными проектами и проектами других студентов. После первоначального обсуждения Мишер вообще не консультировался с ним.

В конце февраля 1869 года Мишер написал возбужденное письмо своим родителям[12]. Забудьте об этих белках; он открыл первое соединение в ядре клетки и оно «не относилось к какому-либо типу белков». 21 августа он направил им обновленную информацию: нуклеин был совершенно новым веществом и мог относиться к кислотам. Он размышлял о том, что вещество играет важную роль в обычных клетках и, возможно, в раковых. При знании последующих открытий его слова выглядят зловещим пророчеством, но это был просто полет фантазии новоиспеченного исследователя.

Стажировка Мишера в лаборатории Гоппе-Зейлера проходила хорошо, но целеустремленному молодому человеку, который хотел продолжить семейную традицию и стать профессором Базельского университета, пора было идти дальше. Он направился в знаменитую лабораторию Карла Людвига в Лейпциге, чтобы изучать нервные пути, которые переносят болевые импульсы в мозг. Мишер завершил свое пребывание в Тюбингине описанием своих открытий. 23 декабря 1869 года, за день до отъезда в Лейпциг, он рассказал в письме родителям, что отправляет свою работу по нуклеину в лучший в мире журнал по «медицинским химическим исследованиям». Он думал, что статья будет принята, но разумно добавил: «если Гоппе-Зейлер не откажется». Это объяснялось тем, что упомянутый журнал издавался его основателем, чье имя красовалось на обложке: Hoppe-Seylers Medizin-Chemische Untersuchungen («Медико-химические исследования Гоппе-Зейлера»).

Публикуйся или погибнешь

Неврология в Лейпциге[13] резко контрастировала с химией на кухне в Тюбингене: многонациональное общедоступное пространство, где студенты и посетители толпятся, чтобы посмотреть, как Карл Людвиг мастерски препарирует центральную нервную систему. «Итальянцы, французы, шведы, норвежцы, русские, американцы, магометане толпились вокруг экспериментальных столов», – писал Мишер. Тем не менее вскоре его отвлекли другие обстоятельства. Базельский университет объявил о вакантной должности преподавателя, последней ступени на лестнице, ведущей к желаемому месту профессора – и благодаря Феликсу Гоппе-Зейлеру у Мишера было немного шансов получить эту должность.

Гоппе-Зейлеру понадобились месяцы[14], чтобы известить Мишера об отказе публиковать работу о нуклеине; она волновала слишком сильно, чтобы внушать доверие, и кто-то более опытный должен был ее проверить. Должно быть, Мишер был совершенно опустошен, но он ответил, что готов подождать. Прошел еще один год, в течение которого Гоппе-Зейлер игнорировал все более отчаянные письма Мишера. Место преподавателя в Базельском университете зависело от этой статьи, умолял Мишер, и за это время на нуклеин мог наткнуться кто-то еще. Наконец, в начале 1871 года Гоппе-Зейлер написал Мишеру о том, что его статья вскоре появится в журнале Untersuchungen. Он сам повторил все эксперименты Мишера, чтобы убедиться, что его стажер не допустил какой-нибудь ужасной ошибки, и поручил преемнику Мишера, венгерскому студенту по имени Пал Плос, поискать нуклеин в клетках крови птиц и змей.

Три работы[15] – Ф. Мишера, Ф. Гоппе-Зейлера и П. Плоса – были опубликованы вместе в журнале Untersuchungen весной 1871 года, почти через 18 месяцев после того, как Мишер отправил свою рукопись. Статья Плоса написана так, как будто он, а не Мишер, изобрел метод извлечения ядер, но притязания Мишера на открытие были неоспоримы. Сам Гоппе-Зейлер «полностью подтвердил» «неожиданное» открытие Мишера, которое «имело огромное значение», поскольку впервые раскрывало «химический состав ядра».

Высокая похвала от самого могущественного человека в физиологической химии пришлась как раз вовремя. Вскоре после этого открыватель нуклеина был назначен преподавателем физиологии в Базельском университете.

Голодные молоки и другие загадки

Базельский университет встретил вернувшегося в родной город Мишера не очень-то гостеприимно – он получил временное помещение под лабораторию в коридоре и 0,25 лаборанта – но его стремительный подъем по скользкому шесту научной деятельности доказал, что способный человек всегда пробьется. Летом 1872 года Вильгельма Гиса переманили на должность профессора анатомии в Лейпциге, что создавало идеальную возможность сохранить место за семьей. 1 ноября 1872 года в неприлично молодом возрасте 28 лет Фридрих Мишер был назначен на должность профессора физиологии в Базельском университете.

Это позволило ему вновь сосредоточиться на нуклеине, используя более приятный материал, чем гной. Базель разделяется на две части величественным Рейном, одной из основных лососевых рек в Европе. Каждую осень его воды полны идущей на нерест рыбы, которая возвращается к месту своего рождения, чтобы обеспечить выживание вида. Во время своего 800-километрового путешествия от Северного моря лосось изменяет внешний вид, чтобы размножаться наиболее эффективно. Мышцы, не используемые для плавания, усыхают, а яичники или семенники сильно увеличиваются и доверху наполняются икрой или спермой. Самец лосося, проплывший вверх по течению до уровня Базеля, – настоящий подарок природы для того, кто хочет получить ядра в промышленных количествах. Его молоки в шесть раз больше нормального размера и битком набиты сперматозоидами, каждый из которых представляет собой «ядерную боеголовку», надетую на «двигательную установку», состоящую из белков, которые предупредительно распадаются в слабой кислоте.

Теперь рабочий день Мишера[16] начинался до рассвета, когда он встречался со своим лаборантом на берегу Рейна с сетями в руках. Базовый рецепт был прост: набрать полное ведро свежих лососевых молок; пропустить через марлю; промыть водой; добавить уксусной кислоты; затем оставить до тех пор, пока мелкая серая пыль из отделенных головок сперматозоидов не выпадет в осадок. Благодаря лососю исследование Мишера быстро продвигалось вперед. Он подтвердил, что нуклеин относился к кислотам, и продемонстрировал, что он не может просочиться через пергаментный пакет, что означало, что это большая молекула. Когда у него было достаточно данных для подробного анализа, он попробовал написать химическую формулу нуклеина: он оценил ее как C29H49N9O22P3, при молекулярной массе 968[17].

Помимо нуклеина, Мишер обнаружил в головках сперматозоидов лосося новые белки. Один из них был богат аминогруппами, что делало его основным (щелочным), и его можно было подтолкнуть к созданию «красивых призматических кристаллов» посредством добавления платиновой соли. Он назвал этот ядерный белок протамином и предположил, что тот тесно связан с кислотным нуклеином[18].

Поначалу исследования Мишера шли как по маслу. Они вылились в большую лекцию, которая произвела впечатление на престижное Базельское национальное историческое общество (1873 год) и после которой последовали статьи о протамине и нуклеине в сперме лягушек, карпов и молодых петушков (1874 год)[19]. Но в этот момент блестящая карьера, которая в своем начале занялась таким пламенем энергии и успеха, начала угасать.

Различные неудачи нагнали молодого профессора, и в некоторых из них он сам был виноват. Мишер был трудоголиком, который полагал, что сон – это лишняя трата времени, и, в отличие от своего отца и дяди, ему постоянно мешал багаж, который прилагается к должности профессора. Преподавание давалось ему очень трудно[20]; немногие талантливые студенты считали его вдохновляющим, но общее мнение было беспощадным: «тугоухий, близорукий, в собственном мире». Впоследствии он писал другу: «Если мне удастся внушить своим студентам мысль, что физиология интересна и ее легко выучить, я буду иметь большой успех как преподаватель». К сожалению, он делал физиологию скучной и сложной.

Мир, в который он удалялся, – исследования – также стал враждебным. Снижение его уровня как ученого началось тогда, когда он изучал изнурение – он называл это «ликвидацией»[21] – лосося, возвращающегося в Рейн для размножения. Мишер продемонстрировал, что мышцы, которые не требуются для возвращения домой, утрачивают белок, который переходит в семенники или яичники для роста спермы или икры. Для этого исследования требовалось тщательно препарировать тысячи рыб, оно заняло годы, но привело к публикации лишь одной статьи. Что еще хуже, эта работа попала на глаза чиновникам, которые попросили его изучить ситуацию с питанием самых не склонных к миграции жителей Базеля – обитателей городской тюрьмы. Мишер составил такой прекрасный отчет, что его быстро завалили запросами о проведении обследования питания во всей Швейцарии. Он понял слишком поздно, что ему следовало отказать, чтобы выжить.

К тому времени нить, связывающая его с лабораторным столом, истерлась, а страсть, которая некогда до рассвета влекла его на замерзающую реку, почти угасла. Мишер попал в порочный круг, работая все более упорно и все менее продуктивно, и стопка наполовину завершенных экспериментов и статей начала расти. На сделанных в это время портретах можно увидеть лысеющего напряженного человека, который явно озабочен более важными вещами, чем позирование для фотографий.

Волшебные горы

Последняя треть жизни Мишера была отмечена тремя важными вехами. Самой заметной было торжественное открытие его излюбленного проекта – нового Анатомо-физиологического института в университете в 1883 году. Мишер назвал его «Везалианум» в честь базельского анатома XVI века Андреаса Везалия, чья работа De Humani Corporis Fabrica («О строении человеческого тела») заложила основу для научного изучения последнего.

Другая веха уже была установлена, когда чуть не затерялась в густом подлеске трудовой жизни Мишера. Утром 21 марта[22] 1878 года его лабораторная рутина была прервана группой друзей, которые явились к нему и повели прочь из лаборатории. Они направились к церкви в центре города, где среди ожидающих была тихая темноволосая девушка по имени Мария-Анна Рюш. Фридрих сделал ей предложение тремя месяцами ранее. После того как жених явился, бракосочетание проходило более-менее по плану, в свое время на свет появились трое детей. Семья Мишеров со временем переехала в солидный дом рядом с Соборной площадью, задний фасад которого очень удобно выходил на Рейн с его сосредоточенными на свой цели истощенными лососями.

Третьей вехой стало появление сухого кашля в 1890 году. Диагноз[23] – туберкулез – был просто опустошающим. Туберкулез убивал больше людей, чем чума или холера, а эффективного лечения не было; единственной надеждой была статистика, согласно которой «в горных странах, таких как Швейцария, очень низкий уровень смертности от туберкулеза». Давос, город на границе Швейцарии и Германии («где воздух похож на шампанское»), стал известным на весь мир центром лечения по методу Luftliegekur (лечение лежанием на свежем воздухе), при котором больные туберкулезом пациенты лежали на открытом воздухе.

В 1890 году Мишер начал приезжать в санаторий в Давосе на несколько недель; четырьмя годами позже он оставил туманы Базеля и переехал туда совсем. Человек, который был слишком занят для собственной свадьбы, в конце концов, понял, в чем суть времени. Он не принадлежал к числу тех сильных духом людей, которые в полной мере используют оставшийся им отрезок жизни, глядя в глаза собственной смерти. «Страсть охотника и солдата», которая двигала им, когда он был молодым ученым, теперь покинула его. Парализованный собственным смертоносным коктейлем из нерешительности и перфекционизма, он не продвигался вперед в своей неоконченной работе.

Это было мрачное время для Мишера. Его жена осталась в семейном доме в Базеле, хотя от самой семьи почти ничего не осталось. Старшие двое детей умерли молодыми, а выжившая дочь была помещена в психиатрическую больницу. В июне 1895 года Мишер психологически достиг точки невозврата и написал в университет, что уходит с любимой им должности профессора физиологии; в ответ университет повысил ему пособие, а город Базель направил благодарственное письмо за все, что тот для него сделал.

Вскоре после этого он получил письмо от Карла Людвига[24], своего бывшего наставника в Неврологическим институте в Лейпциге, которое должно было доставить ему некоторое утешение: «Как бы это ни было печально, Вам остается удовлетворение от проведенных Вами бессмертных исследований ядра. Когда ученые будут заниматься клетками в грядущие века, они будут с благодарностью вспоминать Ваше имя как первопроходца в этой области».

Сравните эти слова со следующими: «Фридрих Мишер был хорошо известным и способным ученым. …Если он не достиг высочайших успехов, это объясняется лишь определенными ослабляющими и препятствующими факторами в его организации». Это лучшее, что смогли сказать представители Базельского университета о своем профессоре физиологии на его панихиде всего несколькими неделями позднее.

Остатки

Туберкулез унес жизнь Фридриха Мишера 26 августа 1895 года, через три недели после его 51-го дня рождения. Двумя неделями ранее до него дошла еще одна плохая весть от Боденского озера, находящегося всего в 80 километрах к северу от Давоса. Друг и коллега внезапно умер[25] в своем летнем домике, когда измерял газы, растворенные в воде озера. Все были потрясены, поскольку 71-летний Феликс Гоппе-Зейлер все еще отличался «юношеской упругой походкой» и «казалось, у него впереди было еще много лет».

Уход Мишера оставил лишь незначительную рябь на гладкой поверхности базельского общества, не говоря уже о более широком мире науки. В университете полагали, что память их «способного ученого» достаточно почтена в его великолепном Везалиануме. А его личное наследие было не то чтобы большое: слабый преподаватель и всего девять публикаций за три десятилетия исследовательской работы (менее десятой части от вклада Гоппе-Зейлера). Не было смысла рассуждать на тему «а если бы», поскольку те самые «ослабляющие и препятствующие факторы» – трудоголизм, патологический перфекционизм и неспособность довести дело до конца – прочно вошли в его внутреннее устройство.

Мишер оставил другим спасать его репутацию. Основную работу взял на себя Вильгельм Гис как дань любви[26] к своему племяннику. Он с друзьями обработал горы лабораторных заметок Мишера, незаконченных рукописей и писем, отшлифовал обработанные начерно драгоценные камни и заполнил пробелы, чтобы показать, как тот мог бы продвинуть науку – если бы только делал то, что ожидается от каждого ученого, и публиковал свои исследования. На это им потребовалось сильно больше года. «Гистохимические и физиологические работы Фридриха Мишера» вышли в двух томах в 1897 году, через два года после его смерти. В подзаголовке поясняется, что работы были «собраны и изданы его друзьями». Книга выглядит как юбилейное издание, посвященное удавшейся научной карьере; кроме того, это история увлекательного жизненного пути, рассказанная более красноречиво, чем это мог бы сделать сам Мишер. На фронтисписе помещен портрет погруженного в раздумья пожилого Мишера, по-видимому, размышляющего скорее о неудаче, чем об успехе.

В более чем 80 письмах, написанных к его коллегам-ученым, членам семьи и друзьям, содержатся некоторые болезненные откровения: рождение, созревание и смерть идей; эмоциональные качели жизни, посвященной исследованиям; его радостное возбуждение при открытии нуклеина; и тяжкое разочарование, когда Гоппе-Зейлер отверг его первую статью. Мишер позволяет мельком взглянуть на внутренние конфликты, которые сделали его тем, кем он стал, и которые помешали ему стать тем, кем он мог бы. «Пока я не отдам свои старые долги, я не могу переходить к новым задачам. Если бы у меня было бы столько же времени, сколько материала, я бы продвигался очень быстро»[27]. К сожалению, время никогда не было на его стороне, и когда он был профессором в Базеле, бившимся над преподаванием, и когда он был пациентом в Давосе, чьи легкие съедал туберкулез.