Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК

К началу 1943 г. Эвери убедился, что трансформирующей субстанцией является дезоксирибонуклеиновая кислота. В мае того года глубокой ночью он написал о своем открытии брату Рою, биохимику в Университете Вандербильта. Это письмо на четырнадцати страницах – один из эпохальных документов в истории ДНК.

Кто бы мог подумать? Насколько я знаю, этот тип нуклеиновой кислоты до сих пор у пневмококков не обнаруживали, хотя находили у других бактерий… Похоже на вирус, может быть, ген… Это касается генетики, энзимологии, клеточного метаболизма, синтеза углеводов и т. д. Сейчас нужно много документированных убедительных доказательств того, что натриевая соль дезоксирибонуклеиновой кислоты, не содержащая белков, возможно, обладает такой биологической активностью и специфическими свойствами, и эти доказательства мы пытаемся получить. Надувать пузыри очень весело, но разумнее проколоть их самому, прежде чем это попытается сделать кто-то другой… Опасно действовать сгоряча: будет стыдно, если придется идти на попятный{63}.

Статья, которую Эвери опубликовал в 1944 г., основывалась на результатах применения широкого спектра различных биохимических, микробиологических и иммунологических методов исследования, в частности электрофореза, ультрацентрифугирования, очистки и инактивации. Он установил, что трансформирующая субстанция состоит из углерода, водорода, азота, кислорода и фосфора, что характерно для нуклеиновых кислот. Субстанция была активной при разведении 1:100 000 000 и инактивировалась ферментами, расщепляющими ДНК, но на нее не влияли ферменты, воздействующие на рибонуклеиновую кислоту (РНК), белки или полисахариды. Кроме того, она поглощала свет той же длины волны, что и нуклеиновые кислоты. Методом исключения, которым пользуются врачи при диагностике, Эвери пришел к выводу: «представленные данные поддерживают предположение, что нуклеиновая кислота, содержащая дезоксирибозу, является основной составляющей трансформирующего начала Pneumococcus типа III»{64}. В 1946 г. Эвери и Маккарти опубликовали две дополнительные статьи об усовершенствовании выделения трансформирующей субстанции с еще более уверенным утверждением того, что гены состоят из ДНК{65}. Однако Эвери не выяснил механизм функционирования ДНК и ее молекулярную структуру. Как и труды Менделя и Мишера, его работа не привела к немедленному изменению научной картины.

Дело в том, что весьма влиятельные ученые упрямо держались убеждения о главенстве белков в наследственности. В 1945–1950 гг. они всячески оспаривали доклады Эвери на научных конференциях. Пожалуй, самым непримиримым противником Эвери был его коллега из Института Рокфеллера, биохимик мирового уровня Феб (Фибус) Левен, считавший, что ДНК недостаточно сложна и разнообразна, чтобы нести генетическую информацию, поскольку в ней имеется лишь четыре варианта азотистых оснований (аденин, гуанин, цитозин и тимин). По мнению Левина, основой наследственности должен быть белковый компонент хромосом, в составе которого много разных аминокислот. Его главный аргумент казался убийственным: как Эвери может быть уверен, что в его образцах для исследования совершенно отсутствуют следы белков и что не эти следы есть истинная причина трансформации?{66}

В ряде сделанных задним числом историографических исследований утверждалось, что работа Эвери была преждевременной и не удостоилась внимания большинства ученых, включая генетиков, отчасти, возможно, из-за ее публикации в Journal of Experimental Medicine, который читали больше врачи, чем ученые{67}. Однако это широко известный и очень авторитетный научный журнал, основанный в 1896 г. Уильямом Генри Уэлчем из Больницы Джонса Хопкинса и издаваемый Институтом Рокфеллера. Он есть в библиотеке любого университета как в США, так и в других странах. Если уж удалось «откопать» результаты Менделя в малоизвестном издании, то научным сотрудникам, просматривавшим литературу по своей области, наверняка попалась бы статья Эвери.

В действительности начиная с середины 1940-х и на протяжении большей части 1950-х гг. данные, полученные Эвери, активно обсуждались на научных конференциях с участием специалистов по молекулярной биологии, биофизике и генетике микроорганизмов. В 1944 г. английский физик Уильям Астбери, который в 1930-е гг. первым применил метод рентгеновской кристаллографии к изучению структуры ДНК, с восхищением назвал работу Эвери одним из самых выдающихся открытий современности{68}. Биохимик Герман Калькар из Копенгагенского университета в Дании, у которого был аспирантом Уотсон, утверждал, что знал об исследованиях Эвери с 1945 г.{69} В 1946 г. Эвери выступал на главном собрании генетиков того времени – летнем семинаре «Наследственность и изменчивость у микроорганизмов» в Колд-Спринг-Харбор.

Джошуа Ледерберг, который в 1958 г. удостоился Нобелевской премии в области физиологии и медицины, а в 1978 г. стал ректором Рокфеллеровского университета, прочел статью Эвери, как только она вышла в свет. Он назвал ее поразительным ключом к разгадке химической природы гена{70}. Ледерберг часто ссылался на работу Эвери в своих публикациях 1940–1950-х гг. На всем протяжении своей научной деятельности Ледерберг вежливо, но твердо оспаривал утверждение о якобы безвестности открытия Эвери. В 1973 г. в письме редактору журнала Nature он заявил, что представление, будто «работа Эвери о трансформации пневмококка не была в достаточной мере признана генетиками в первое десятилетие после публикации 1944 г., не вполне согласуется с моими собственными воспоминаниями и опытом»{71}.

Нобелевский лауреат биофизик Макс Дельбрюк всецело соглашался с Ледербергом. В 1941 или 1942 г. он посетил лабораторию Эвери в Рокфеллеровском институте и изучил его работу, опубликованную в Journal of Experimental Medicine{72}. Через тридцать лет Дельбрюк вспоминал, как трудно было в 1940-е гг. оспаривать господствовавшие тогда взгляды Левена: «Любого, кто изучал этот вопрос и размышлял о нем, поражал парадокс: с одной стороны, был получен специфический эффект с ДНК, а с другой стороны, считалось, что ДНК, будучи тетрануклеотидом, является примитивным веществом, не способным действовать специфически. Одно из этих положений должно было быть ошибочным»{73}.

Часть II

Клуб игроков

Человек часто бывает не самим собой, а кем-то другим. Мысли большинства людей – это чьи-то чужие мнения, их жизнь – подражание, их страсти – заемные страсти.

ОСКАР УАЙЛЬД[10]{74}

[4]

«Возьмите меня в Кавендишскую лабораторию»

Я никогда не видел, чтобы Фрэнсис Крик держался скромно.

ДЖЕЙМС УОТСОН[11]{75}

Первое предложение «Двойной спирали» Джеймса Уотсона задевало Фрэнсиса Крика и в то же время идеально его описывало. В отличие от того, с каким чувством Уотсон описал Розалинд Франклин, он не имел в виду ни малейшего неуважения в адрес Крика. Он лишь хотел сказать, что Фрэнсис так блистателен, что ему незачем скромничать. Однако Крику не слишком нравилась эта фраза. Вскоре после прочтения рукописи книги Уотсона Крик объединился с Морисом Уилкинсом и еще несколькими учеными, оскорбленными этим текстом. Они подали прошение ректору Гарвардского университета Натану Пьюзи, желая, чтобы он велел независимому университетскому издательству не публиковать эту книгу. Крик выиграл битву, но проиграл войну. Издательство Harvard University Press в 1967 г. отвергло книгу Уотсона, но его редактор Томас Уилсон перебрался из Кеймбриджа (штат Массачусетс) в нью-йоркское издательство Atheneum, имея при себе рукопись Уотсона{76}. В следующем году «Двойная спираль» стала международным бестселлером и с тех пор разошлась в количестве свыше миллиона экземпляров{77}.

Фрэнсис Крик родился 8 июня 1916 г. в деревне Уэстон-Фавелл близ Нортгемптона на востоке Центральных графств Англии. Его родители Гарри и Энни Крик были состоятельными людьми, так как у Гарри и его брата были обувная фабрика и несколько магазинов. Юный Фрэнсис поглощал научные книги и энциклопедии, превосходно их запоминая. Однажды он посетовал матери, что к тому моменту, когда он вырастет, все открытия уже будут совершены{78}.

Окончив среднюю школу в Нортгемптоне, Крик поступил в лондонскую школу Милл-Хилл, где блестяще проявил себя в математике, физике, химии – и в розыгрышах. Однажды он устроил так, чтобы радио, которое запрещалось слушать в часы вечерних занятий, автоматически включалось, если заведующий пансионом обходил залы, и выключалось, когда он входил в комнату Фрэнсиса в поисках источника шума. Еще он испортил отношения с педагогами, наполнив бутылку различными взрывчатыми веществами, чтобы сделать «бомбу».

В 1934 г. Крик провалил вступительные экзамены и в Оксфордский, и в Кембриджский университеты, после чего поступил в Юниверсити-колледж Лондонского университета. Он изучал физику и окончил обучение в возрасте 21 года, получив степень бакалавра с отличием второго класса. Любопытно, что Морис Уилкинс и Розалинд Франклин также завершили бакалавриат с отличием второго класса, а это сулило им второразрядную карьеру в науке. Однако они стали примечательным исключением{79}. Крик пошел по пути наименьшего сопротивления: будучи студентом, он вел исследовательскую работу[12] под руководством профессора Эдварда Невилла да Коста Андраде в Юниверсити-колледже и жил в Лондоне на деньги своего дяди Артура Крика, у которого мальчиком научился стеклодувному делу и фотографии. У да Коста Андраде Фрэнсис занимался определением вязкости воды под давлением при температуре от 100 до 150 оС, что казалось ему скучнейшим делом{80}.

К счастью для будущего биологии, в 1939 г. немецкая бомба уничтожила лабораторию, где трудился Крик, и его тщательно подобранное оборудование, положив конец этим его исследованиям. С 1940 г. Крик шесть лет служил в Военно-морском министерстве, работая над магнитными и акустическими минами, взрывающимися без непосредственного контакта с объектом поражения, что многократно повышало эффективность по сравнению с минами старого образца. По окончании войны было подсчитано, что новые британские мины потопили или повредили не меньше тысячи вражеских морских судов{81}.

Личная жизнь Крика в это время была весьма запутанной. Его первая жена Рут Дорин Додд была его сокурсницей по Лондонскому университету, где изучала английскую литературу, особенно увлекаясь плутовскими романами Тобайаса Смоллетта. Когда разразилась Вторая мировая война и все способные работать понадобились в военных интересах, она отодвинула в сторону книги и стала служить в Министерстве труда{82}. Пара сочеталась браком в 1940 г., через девять месяцев родился их сын Майкл. В 1946 г. Крик влюбился в француженку Одиль Спид, приехавшую в Англию в 1930-х гг. изучать английский язык и изобразительное искусство. Во время войны она вступила в ряды Женской вспомогательной службы военно-морских сил. В 1947 г. Фрэнсис развелся с Рут, после чего, в сущности, не занимался воспитанием сына. В 1949 г. он женился на Одиль. Этот брак был очень счастливым: Бог благословил их двумя дочерьми и супруги не расставались до самой смерти Крика.

Под конец войны Крик задумался, не станет ли гражданская служба в правительственном аппарате наилучшим выбором для него при не слишком высоких результатах в бакалавриате, незаконченной диссертации и уже не юном возрасте. Министерские чины, впрочем, сомневались в своем желании и дальше обеспечивать работой этого говорливого молодого человека. После второго собеседования под председательством физика, химика, а впоследствии писателя и государственного деятеля Чарльза Сноу Крику предложили работу. Однако к этому времени он решил, что не хочет потратить остаток жизни на создание оружия, и отклонил это предложение{83}.

Крик подумывал заняться научной журналистикой и попытался устроиться в редакцию журнала Nature, но снял свою кандидатуру, потому что осознал: он хочет заниматься собственными научными изысканиями, а не редактировать и описывать чужие труды. В свободное время Крик внимательно следил за литературой по химии и однажды прочел превосходную книгу о природе химических связей в органических соединениях, написанную Лайнусом Полингом. Он также читал работы Эдгара Эдриана «Механизм нервной деятельности: изучение нейрона электрическими методами» (The Mechanism of Nervous Action: Electrical Studies of the Neurone) и Сирила Хиншелвуда «Химическая кинетика бактериальной клетки» (The Chemical Kinetics of the Bacterial Cell){84}.

По замечанию журналиста Мэтта Ридли, Крик был полон решимости не просто ворваться в науку, но и совершить в ней нечто героическое, а главное – раскрыть какую-нибудь важную тайну природы{85}. Прорывы, к которым он стремился, следовало искать в изучении функционирования человеческого мозга или же в выяснении молекулярных механизмов наследственности. Однако как осуществить такие смелые планы?{86}

К счастью, наставником Крика в Военно-морском министерстве оказался английский физик австралийского происхождения Гарри Стюарт Уилсон Мэсси, в 1945 г. ставший деканом физического факультета Юниверсити-колледжа Лондонского университета. Как-то Мэсси дал Крику почитать книгу Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?». Другой экземпляр этой книги Мэсси одолжил Морису Уилкинсу, который был правой рукой Джона Тертона Рэндалла, возглавлявшего отдел биофизики Совета по медицинским исследованиям в Королевском колледже Лондона{87}. По совету Мэсси Крик свел знакомство с Уилкинсом и подружился с ним. Они были сверстниками (и скончались оба в 2004 г.), каждый из них развелся с первой женой и отказался от забот о первенце-сыне, и мысли обоих занимали структура и функционирование генов. Однажды Крик попросился работать в лаборатории Рэндалла, но тот решительно отказал. Крика не принял и Джон Десмонд Бернал, занимавшийся рентгеновской кристаллографией в той самой лаборатории Беркбек-колледжа Лондонского университета, в которую в 1949 г. не взяли Розалинд Франклин (правда, ее-то весной 1953 г. все-таки пригласили туда){88}.

Затем Крик попытался получить стипендию для завершения диссертации под эгидой Совета по медицинским исследованиям. Его заявка начиналась изложением масштабных и блестящих планов. Конкретной областью, наиболее его увлекавшей, он назвал разницу между неживым и живым на примере белков, вирусов и бактерий, а также структуру хромосом, конечной же целью – описание этих биологических объектов в аспекте пространственного распределения атомов, из которых они состоят. В заключение Крик предлагал назвать очерченное им направление исследований химической физикой биологии{89}.

Чтобы получить стипендию, Крик прошел собеседование с работавшим в Кембридже Арчибальдом Хиллом, который занимался физиологией мышечной деятельности и в 1922 г. получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины. Хилл горячо одобрил его кандидатуру и устроил Крику встречу с могущественным секретарем Совета по медицинским исследованиям Эдвардом Мелланби{90}, открывшим витамин D и его роль в предотвращении рахита. Того тоже впечатлили энергия и широта познаний молодого человека. Проговорив с Криком меньше часа, он посоветовал ехать в Кембридж, где найдется соответствующий ему уровень{91}. После собеседования Мелланби начертал на заявлении Крика в Совет по медицинским исследованиям: «Мне очень понравился этот человек»{92}.

Первые два года в Кембридже (1947–1949) Крик работал в Лаборатории Стрейнджуэйса – так стали называть Кембриджскую научно-исследовательскую клинику, основанную врачом-патоморфологом Томасом Стрейнджуэйсом для изучения ревматоидного артрита. Там занимались в основном культурами тканей и органов, а также гистологией и цитологией. На тот момент, когда Крик пришел в Лабораторию Стрейнджуэйса, ее возглавляла выдающийся зоолог Хонор Фелл – одна из немногих женщин, занимавших руководящую научную должность в Великобритании того времени{93}. По воспоминаниям Крика, там он занимался физическими свойствами цитоплазмы. «Меня не особенно интересовала эта проблема, – признавал он, – но это был идеальный вариант, поскольку разбирался я только в магнетизме и гидродинамике». В итоге его работа оказалась достаточной для публикации в журнале Experimental Cell Research; так появились две первые научные статьи Крика, в одной из которых описывались эксперименты, а другая была теоретической{94}.

На второй год работы Крика в Лаборатории Стрейнджуэйса Фелл предложила ему выступить с небольшим докладом о наиболее важных проблемах молекулярной биологии перед группой исследователей, прибывших в Кембридж. «Гости собрались, в ожидании навострив ручки и карандаши, – вспоминал он, – но по мере того, как я говорил, отложили их. Очевидно, они сочли то, что я рассказывал, недостаточно серьезным, не более чем ненужными домыслами. Однако в какой-то момент они все-таки кое-что записали, а именно, когда я сообщил нечто фактическое – что воздействие рентгеновского излучения вызывало резкое уменьшение вязкости раствора ДНК». Пересказывая эту историю в возрасте 72 лет, Крик не был уверен, что может доверять своей памяти. Никаких записей от того выступления не сохранилось, и Крику осталось лишь предполагать, что он говорил о важной роли генов в репродукции, о необходимости установить их молекулярную структуру, о том, что они, вероятно, состоят из ДНК (по меньшей мере частично) и что гены могли бы управлять синтезом белков, возможно, при посредничестве РНК{95}.

Диплом Кембриджского университета являлся для Крика последним и единственным шансом стать великим ученым, и он преисполнился решимости выжать из этого шанса все возможное. Понимая, что у него нет будущего в Лаборатории Стрейнджуэйса, Крик убедил Э. Мелланби в необходимости перехода в другое место. Несколько телефонных звонков – и его перевели в биофизический отдел Кавендишской лаборатории под руководство Макса Перуца и его помощника Джона Кендрю{96}. Крику поручалось участвовать в определении молекулярной структуры гемоглобина и миоглобина; в свою очередь, Перуц брался содействовать Крику в получении степени PhD[13]{97}.

Первое посещение Криком Кавендишской лаборатории началось обескураживающе. Поезд долго тащился из Лондона, и Крик, спрыгнув наконец с платформы крохотной железнодорожной станции Кембриджа, вознаградил себя тем, что взял такси. Его переполняло воодушевление серьезного студента на пороге настоящей научной карьеры. При мысли о том, что ему предстоит работать в лучшем в мире научном учреждении, участился пульс. Уложив саквояж и устроившись на сиденье, Крик сказал таксисту: «Отвезите меня в Кавендишскую лабораторию». Таксист обернулся и воззрился на него через стекло, отделявшее место водителя от салона: «Где это?» Крик растерялся и не сразу понял, что далеко не все так же увлечены наукой, как он. Порывшись среди бумаг в своем потрепанном портфеле, он отыскал листок с адресом и сообщил, что им надо на улицу Фри-Скул-лейн. Водитель сообразил, что это недалеко от Рыночной площади, развернулся в нужном направлении и поехал к месту назначения{98}.

С конца XIX до середины ХХ в. физикой занимались всерьез в первую очередь в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, а все остальные возможности были равно второсортными{99}. Резонно считать, что современная физика началась в Кембридже. В Тринити-колледже учился и долгие годы работал Исаак Ньютон, написавший знаменитый труд «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), где сформулированы закон всеобщего тяготения и другие основы классической физики. В 1874 г. здесь устроили лабораторию и назвали ее в честь гениального затворника Генри Кавендиша (1731–1810), который открыл «горючий воздух» (то есть водород), измерил силу взаимного притяжения масс и получил точное значение гравитационной постоянной.

Первым руководителем Кавендишской лаборатории был шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879). Впечатляющие седоватые бакенбарды и жесткая раздвоенная борода придавали ему вид диккенсовского персонажа. Еще во время учебы Максвелл решил посвятить себя изучению физического мира, несмотря на то что для этого пришлось отказаться от христианских догматов, сформировавших его мировоззрение{100}. На этом пути ему удалось многое. В частности, он математически описал, как электрические заряды и токи создают электрические и магнитные поля; эти формулы известны под названием «уравнения Максвелла». Также его исследовательский подход вернул в физику аристотелевский мысленный эксперимент; позже в работах Эйнштейна, Бора, Гейзенберга, Шрёдингера и других ученых этот метод, ставший своего рода искусством, создал основу теоретической физики{101}.

Студенты Кембриджского университета называли Кавендишскую лабораторию «центр всего физического». Она занимала трехэтажное здание из известняка, кирпича и сланца с множеством готических арок и узких лестниц. Внутри размещались лекторий с крутым амфитеатром на 180 мест, профессорские кабинет и лаборатория, а также мастерская; этажом выше – тесное помещение для оборудования и студенческая лаборатория; на верхнем этаже было помещение для экспериментов с электричеством{102}.

Максвелла, скончавшегося в возрасте 48 лет, сменил в 1879 г. Джон Уильям Стратт, лорд Рэлей, который в 1904 г. получил Нобелевскую премию по физике за исследование плотности наиболее распространенных газов и за открытие аргона. Денежную составляющую премии он пожертвовал на восстановление обветшавшей Кавендишской лаборатории. В 1882 г. Стратт ввел знаменательное новшество – разрешил посещать занятия женщинам. Через полвека этот шаг к равноправию сыграет огромную роль в жизни Розалинд Франклин.

В 1884 г. очередным профессором Кавендишской лаборатории был назначен Джозеф Джон Томсон. Худощавый, с залысинами и растрепанными моржовыми усами, внешне он больше походил на банкира, чем на физика. Этот пост он занял в возрасте всего лишь 28 лет. Увы, выдающийся ученый был очень неуклюжим, и его сотрудникам приходилось прилагать большие усилия, чтобы защитить от шефа хрупкое лабораторное оборудование. Томсон открыл электрон и установил его массу и заряд, что было огромным достижением, заложившим основы понимания химических связей на молекулярном и атомном уровнях. На работах Томсона базируется разработка множества современных вещей: источников питания, искусственного освещения, радио, телевидения, телефона, компьютера и интернета.

В 1919 г. Томсона сменил «отец ядерной физики» Эрнест Резерфорд, приехавший в Кембридж из Новой Зеландии. Он открыл искусственное расщепление атома и протон, создал концепцию радиоактивности, сформулировал закон радиоактивного распада. Человек богатырского здоровья, он за работой насвистывал, а в моменты особого воодушевления напевал гимн «Вперед, Христово воинство» Артура Салливана{103}. В честь Резерфорда назван 104-й элемент Периодической системы химических элементов (таблицы Менделеева). И Томсон, и Резерфорд удостоились Нобелевской премии по физике (1906 и 1908 гг. соответственно). Примерно в то же время Джеймс Чедвик, руководивший колледжем Гонвилл-энд-Киз Кембриджского университета и работавший в Кавендишской лаборатории, открыл нейтрон. Он стал нобелевским лауреатом по физике в 1932 г.

Из руководителей Кавендишской лаборатории для изучения ДНК наибольшую роль сыграл Уильям Лоуренс Брэгг, возглавлявший ее с 1938 по 1953 г. Он был приглашен в Кембриджский университет в возрасте 39 лет, но на тот момент не имел опыта ни преподавания физики, ни руководства крупным подразделением{104}. Совместно со своим отцом, Уильямом Генри Брэггом, он заложил основы нового аналитического метода – рентгеновской кристаллографии, за что в 1915 г. они получили Нобелевскую премию по физике (единственный случай, когда эту честь разделили отец и сын){105}. Дифракция рентгеновского излучения на кристалле описывается уравнением Брэгга[14]. В Кембридже ему была поручена модернизация Кавендишской лаборатории, чего не удалось осуществить Резерфорду. С учетом интересов Уильяма Лоуренса Брэгга фокус исследований сместился с ядерной физики к рентгеноструктурному анализу. Он стал превосходным администратором, прославившись как тактичностью, так и лидерскими качествами. Несмотря на последствия Великой депрессии и две мировые войны, Брэгг преобразовал Кавендишскую лабораторию в научный центр мирового класса{106}.

Первым делом Брэгг занялся изношенным и устаревшим оснащением лаборатории. К концу 1930-х гг. там было слишком много сотрудников и недостаточно места для экспериментов. В 1936 г. Брэгг сумел убедить автомобильного магната Герберта Остина пожертвовать 250 000 фунтов на постройку нового крыла, которое за это назвали в его честь. Остиновское крыло представляло собой сугубо утилитарную четырехэтажную коробку из светлого серо-коричневого кирпича. Невзрачное с виду здание дало лаборатории 90 новых помещений, в том числе 31 для исследований и 13 под кабинеты; там также имелись стеклодувный цех, механическая мастерская, библиотека, комната отдыха («чайная») и специальная мастерская для тонких операций, требующих высочайших технических навыков{107}. Именно в этом здании Уотсон и Крик работали над структурой ДНК в 1951–1953 гг.