книжный портал
  к н и ж н ы й   п о р т а л
ЖАНРЫ
КНИГИ ПО ГОДАМ
КНИГИ ПО ИЗДАТЕЛЯМ
правообладателям

Фрэнк Райан

Таинственный геном человека

Освальду Т. Эвери

Наверное, я стал ученым потому, что в детстве был очень любопытным. Я помню, как в 10, 11, 12 лет постоянно задавался вопросами: «Почему это происходит? Почему я наблюдаю то или иное явление? Я хочу его понять».

Лайнус Полинг

Введение

Для того чтобы превратить мертвую материю в живую, не требовалось никакого акта творения или жизненной искры. И та и другая состоят из одних и тех же атомов, и разница заключается лишь в их архитектуре.

Джейкоб Броновски. The Identity of Man

Броновски начинает свою знаменитую книгу «Восхождение человечества» такими словами: «Человек – уникальное творение природы. Он активно меняет мир вокруг себя, наблюдая за повадками животных и умело пользуясь полученными знаниями. Современные люди заняли особое положение среди живых существ, потому что сумели обустроиться на всех континентах, адаптироваться к любым условиям».[1] Но почему люди не только населяют наш мир, но и активно изменяют его? От гепарда или от морского конька нас отличает генетическая наследственность – совокупность ДНК, в которой закодировано наше существование. Эту совокупность мы называем геномом или, в данном случае, человеческим геномом.

Наш геном – это то, что определяет нас на глубинном уровне. Он присутствует в каждой из примерно 100 000 миллиардов клеток, составляющих человеческий организм и специфичный для каждого отдельного человека. Но на этом все не заканчивается. Мириады мельчайших различий, свойственные нашему геному, представляют собой самую нашу суть в генетическом и наследственном смысле. Мы передаем их своим потомкам, делая через них вклад в совокупное эволюционное наследие нашего вида. Понять геном – значит по-настоящему познать, что такое быть человеком. В мире нет двух людей с абсолютно одинаковым геномом. Даже однояйцовые близнецы, получившие при зачатии один и тот же геном, рождаются с небольшими генетическими различиями. Эти различия могут возникать в тех частях генома, которые не отвечают за кодирование элементов, называемых генами.

Кажется странным, что наш геном – это нечто большее, чем просто совокупность генов. Но давайте пока не будем вдаваться в подробности и сосредоточимся на более общей теме. Каким образом из относительно простого химического кода создается человек – сложное живое существо? Как человеческий геном развивался в ходе эволюции? Как он работает? Стоит задаться этими вопросами, и мы сталкиваемся с множеством загадок.

Для того чтобы получить ответы, нам нужно исследовать базовую структуру генома, его операционные системы, механизмы экспрессии и контроля. Некоторые читатели могут скептически отнестись к этому предложению. Разве не означает это погружение в невероятно загадочный мир, слишком сложный для неподготовленного человека? На самом деле именно на такого читателя и рассчитана эта книга. Как вы увидите, базовые понятия легки для восприятия, нужно лишь разделить наше путешествие на несколько простых логических этапов. Путь пройдет через череду блестящих открытий в истории человечества и уведет нас в далекое прошлое, к нашим предкам и их познанию Земли в древние времена.

По ходу путешествия у нас будут возникать новые вопросы, в том числе достаточно важные. Каким образом эта удивительная субстанция, которую мы называем человеческим геномом, обеспечивает воспроизведение людьми себе подобных, то есть оплодотворение материнской яйцеклетки спермой отца? Как геном контролирует невероятный процесс развития эмбриона в матке? Вернувшись на секунду к общим вопросам, отметим, что важным элементом генома и его сутью является память – например, память о целостности генетического наследия каждого человека. Но как именно она сохраняется? Мы уже знаем, что волшебное вещество под названием ДНК играет роль кода. Каким образом код может воспроизводить сложнейшие инструкции по созданию клеток, тканей и органов, а затем объединять их в единое целое, которое мы называем организмом человека? Но даже ответив на эти вопросы, мы едва прикоснемся к загадкам человеческого генома. Каким образом эта чудесная структура получает программу, дающую ребенку способности к развитию речи, к обучению и письму? За счет чего новорожденный младенец превращается во взрослого человека, который, становясь отцом или матерью, снова запускает этот цикл?

Магия генома состоит в том, что все эти процессы могут быть записаны в крошечном кластере химических веществ, включая главную молекулу – дезоксирибонуклеиновую кислоту, или ДНК. Этим химическим кодом записаны генетические инструкции по созданию человека. В него встроены свобода мысли и изобретательность, благодаря которым в мире существуют художники, математики и ученые. Он составляет основу нашей внутренней индивидуальности, того, что мы называем своим «я». Один и тот же код, отвечающий за это «я», подарил человечеству гении Моцарта, Пикассо, Ньютона и Эйнштейна. Неудивительно, что мы с благоговением смотрим на вместилище такого чуда и мечтаем раскрыть тайну, скрывающую саму основу бытия.

Мы лишь недавно сумели достаточно полно и глубоко разобраться в человеческом геноме, чтобы понять его удивительную историю, – например, что он представляет собой нечто большее, чем просто ДНК. Эту историю я и постарался передать в данной книге.

Несколько лет назад я читал лекцию на подобную тему в лондонском Кингс-колледже. Председатель собрания спросил меня, не собираюсь ли я когда-нибудь написать об этом книгу. Когда я ответил утвердительно, он попросил использовать в книге такой язык, который сможет понять любой неподготовленный человек.

– Насколько доступной должна быть эта книга? – спросил я.

– Ну, представьте, что я – ваш читатель и вообще ничего не знаю.

Именно это я вам и обещаю. В этой книге не будет сложного научного языка, математических или химических формул, заумных терминов или десятков иллюстраций. Я начну с базовых принципов, исходя из установки, что мои читатели почти ничего не знают о биологии или генетике. Даже те, кто не имеет отношения к биологии, могут помнить, сколько сюрпризов преподнесла миру первая расшифровка человеческого генома, результаты которой были опубликованы в 2001 году. Сделанные с тех пор открытия подтвердили, что значительная часть человеческого генома (его эволюция, структура и механизмы работы) отличается от наших ранних представлений. Эти неожиданные факты не умаляют важности знаний, накопленных ранее, но, как и любые научные открытия, лишь обогащают их. Благодаря этим новым знаниям человечество вступило в золотой век генетического и геномного просвещения, охватывающего множество сфер нашей деятельности – от медицины до ранней истории человечества. Я считаю, что наше общество должно понимать важность этого открытия для будущего.

1. Кто бы мог подумать?

Большой, важный и часто обсуждаемый вопрос состоит вот в чем: как физика и химия должны анализировать пространственно-временные явления, происходящие в пределах живого организма?

Эрвин Шрёдингер

В апреле 1927 года молодой француз по имени Рене Жюль Дюбо приехал в Рокфеллеровский институт медицинских исследований в Нью-Йорке, чтобы выполнить, казалось бы, совершенно безнадежную задачу. Этот высокий мужчина в очках, недавний выпускник Ратгерского университета и обладатель докторской степени по микробиологии почв, имел необычный философский подход к науке. Ознакомившись с работами видного русского микробиолога Сергея Виноградского, он пришел к выводу, что исследовать бактерии в пробирках и на лабораторных культурах нет никакого смысла. Дюбо верил: для того, чтобы понять бактерии, нужно наблюдать за ними там, где они живут и взаимодействуют друг с другом и с жизнью в целом – в природе.

После окончания университета Дюбо не сумел найти работу. Он подал в научно-исследовательский совет заявку на получение гранта, но ее отклонили, потому что ученый не был американцем. Однако на полях письма с отказом кто-то сделал приписку от руки (позже Дюбо вспоминал, что почерк был женским, – вероятно, запись была сделана доброй секретаршей какого-то официального лица): «Почему бы вам не обратиться за помощью и советом к своему знаменитому соотечественнику, доктору Алексису Каррелю из Рокфеллеровского института?» Дюбо последовал этой рекомендации, и в апреле 1927 года прибыл по указанному адресу на Йорк-авеню на берегу Ист-Ривер.

До этого Дюбо ничего не слышал ни о Карреле, ни о Рокфеллеровском институте медицинских исследований и был заинтригован, узнав, что Каррель работает сосудистым хирургом. Дюбо не обладал никакими академическими познаниями в медицине, а Каррель понятия не имел о микробах, живущих в почве. Результат их беседы был предсказуем: Каррель ничем не смог помочь молодому ученому. Разговор закончился в середине дня, и Дюбо решил пообедать в столовой института, которая привлекла голодного француза запахом свежеиспеченного хлеба.

В какой-то момент к Дюбо подсел невысокий, хрупкого сложения джентльмен с круглой лысой головой. Незнакомец, говорящий с канадским акцентом, вежливо обратился к нашему герою. Этого человека звали Освальд Теодор Эвери. Позже Дюбо признавался, что знал о нем так же мало, как и о Карреле, однако профессор Эвери (или Фесс, как звали его близкие) на тот момент был светилом медицинской микробиологии. Эта встреча имела историческую значимость как для биологии, так и для медицины.

Эвери сделал Дюбо своим научным ассистентом, и, работая на этом посту, Дюбо открыл первые антибиотики на основе культуры почвенных бактерий. Параллельно с этим Эвери и его небольшая команда, работавшая над тем, что он называл «маленькой кухонной химией», занимались еще одной задачей, решив которую они надеялись получить ключ к тайне наследственности. Почему общество почти ничего не знает об этом блестящем ученом? Для того чтобы объяснить подобную аномалию, нам нужно переместиться в прошлое и поговорить о самом Эвери и о проблемах, с которыми он сталкивался три четверти века назад.

* * *

В 1927 году, когда Дюбо познакомился с Эвери, ученые еще плохо понимали принципы наследования. Термин «ген» был введен в употребление за два десятилетия до этого датским генетиком Вильгельмом Иогансеном. Интересно, что сам Иогансен придерживался туманной концепции наследования, называемой «пангеном», которая была предложена еще Чарльзом Дарвином. Иогансен модифицировал ее с учетом открытий, сделанных в XIX веке Грегором Менделем.

Возможно, читателям известна история Менделя – настоятеля августинского монастыря в Брно в Моравии (сегодня это часть Чехии). Мендель выглядел как монах Тук, любил сигары и проводил блестящие научные исследования, скрещивая горох на монастырском огороде. Эти опыты позволили ему сформулировать основы современных законов наследования. Оказалось, что некоторые характеристики родительского поколения гороха предсказуемым образом передавались потомкам. Среди этих характеристик были высота растения, наличие или отсутствие желтого и зеленого оттенков в цветках или пазухах листа, а также сморщенная или гладкая поверхность горошин. Мендель обнаружил, что за наследственность отвечают первичные половые клетки растений (впоследствии этот вывод будет экстраполирован на все живые организмы), которые представляют собой дискретные пакеты информации, кодирующие определенные физические характеристики, или черты. Иогансен вывел термин «ген» из предложенного Менделем образа пакета наследственной информации. Примерно в то же время британский ученый Уильям Бэтсон образовал от слова «ген» название дисциплины, занимающейся природой и процессами наследования, – генетика.

Если открыть в Интернете современный толковый словарь, можно найти такое определение гена: «Базовая физическая единица наследования; линейная последовательность нуклеотидов, представляющая собой сегмент ДНК и содержащая закодированные инструкции для синтеза РНК, которая после преобразования в белок приводит к экспрессии наследственных свойств».[2] Но Мендель совсем не так представлял гены, а о ДНК и вовсе не подозревал. Его исследования были опубликованы в непопулярных изданиях, забыты на 40 лет, а затем заново открыты и переосмыслены. Однако в свое время представление Менделя о генах как о дискретных элементах наследственности помогло раскрыть важную медицинскую тайну: как некоторые заболевания проявляются через наследственные искажения.

Сегодня мы знаем, что гены – это базовые составные элементы наследственности. Они сродни атомам, частицам вещества, из которых состоит весь физический мир. В первые десятилетия ХХ века никто не представлял, из чего сделаны гены или как они работают, но некоторые ученые пытались исследовать их через физическую экспрессию, например, при формировании эмбрионов или в ходе наследственных заболеваний. Генетик Томас Хант Морган, работавший в лаборатории в Чикаго, использовал в качестве экспериментальной модели для своего новаторского исследования плодовых мушек. Его сотрудники обнаружили, что гены расположены в хромосомах – структурах, находящихся в ядрах половых клеток насекомых. Генетик-ботаник Барбара Макклинток подтвердила, что это верно и для растений. Она разработала технологии, позволившие биологам увидеть хромосомы в клетках кукурузы. Это привело к невероятному открытию: оказывается, во время формирования мужских и женских половых клеток совпадающие, или гомологичные, хромосомы обоих родителей располагаются друг напротив друга, а затем обмениваются одинаковыми частями. Так потомок наследует смешанные признаки отца и матери. Это интересное генетическое явление (называемое гомологичной половой рекомбинацией) объясняет, почему дети одних родителей отличаются друг от друга.

К началу 1930-х годов биологи и медики-исследователи уже понимали, что гены представляют собой физические объекты – химические информационные блоки, нанизанные на хромосомы, как бусины на леску. Если использовать другое сравнение, то геном можно назвать библиотекой химической информации, в которой хромосомы играют роль книг. В этом случае дискретные единицы, называемые генами, – это отдельные слова на книжных страницах. Библиотеки хранятся в ядрах половых клеток, то есть в яйцеклетках и сперматозоидах. Человеческая библиотека насчитывает по 46 книг в каждой клетке. Яйцеклетка и сперматозоид содержат по 23 хромосомы, и при зачатии ребенка два набора хромосом сливаются в оплодотворенной яйцеклетке. Но ответ на одну загадку наследования лишь открыл ящик Пандоры, полный новых генетических тайн, которые в изобилии встречаются среди живых организмов нашей плодородной планеты.

Например, неужели все формы жизни – от червей до орлов, от протистов, копошащихся в иле водоемов, до человечества – имеют в своих хромосомах одинаковые гены?

Микроскопические одноклеточные существа (бактерии, археи и другие) не хранят наследственную информацию в ядре. Такие живые организмы называют прокариотами, то есть доядерными. У всех остальных форм жизни, называемых эукариотами, наследственная информация содержится в ядрах клеток. Исследования плодовых мушек и растений, а также медицинские опыты показывают, что для всех эукариотов характерны общие глубинные черты. Но можно ли применить те же генетические понятия (начиная с гена) к прокариотам, которые размножаются вегетативно почкованием и не образуют половых клеток? На заре бактериологии велись споры, можно ли вообще считать бактерии формами жизни. А вирусы, которые зачастую гораздо мельче бактерий, и вовсе были очень слабо изучены.

С течением времени многие ученые пришли к выводу, что бактерии являются живыми организмами, и начали классифицировать их в соответствии с биноминальной линнеевской системой. Так, возбудитель туберкулеза был назван Mycobacterium tuberculosis, а вызывающий нагноение коккоподобный микроб – Staphylococcus aureus. Будучи крайним консерватором, Освальд Эвери не торопился примкнуть ни к одному из лагерей, воздерживался от использования биноминальной системы и по-прежнему использовал выражение «туберкулезная бактерия». Интересно, что Дюбо, который знал Эвери лучше других коллег, наблюдал у него такую же консервативность в подходе к лабораторным исследованиям. Наука должна с пуританской строгостью придерживаться только фактов, которые можно вывести логически и однозначно подтвердить лабораторным путем.

В 1882 году немецкий врач Роберт Кох открыл, что возбудителем смертельно опасной на то время болезни – туберкулеза – является Mycobacterium tuberculosis. Кох составил логическое правило, чтобы выявлять болезнетворность того или иного микроорганизма. Это правило называется постулатами Коха. После идентификации возбудитель заболевания исследовали под микроскопом и должным образом классифицировали. Если клетки микроорганизма были круглыми, его называли кокком, если продолговатыми – палочкой, а если спиралевидными – спирохетой. Бактериологи методично исследовали культурную среду, в которой тот или иной организм растет лучше всего: чистый агар или агар с добавлением бычьей крови либо что-то еще. Они также изучали внешний вид бактериальных колоний на культуральных планшетах: их цвет, размер, хаотичность или упорядоченность границ, выпуклость или уплощенность, гранулированность и различные геометрические формы, которые принимала та или иная колония. Научная база учебников по бактериологии расширялась за счет точных исследований и наблюдений. По мере роста знаний в борьбе против инфекций применялись все новые и новые открытия.

Среди полезной информации, которую бактериологи получили о болезнетворных (патогенных) бактериях, был и такой факт: течение болезни и, соответственно, поведение возбудителя в отношении носителя заболевания можно изменить с помощью определенных мер (например, используя определенную последовательность культур в лаборатории или заражая подопытных животных бактериями разных поколений). Такие манипуляции позволяли усилить или ослабить болезнь, делая микроб более или менее вирулентным. Бактериологи искали способы использования этих знаний в медицине. Так, во Франции Луи Пастер применил принцип ослабления возбудителей и разработал первую эффективную вакцину от бешенства, считавшегося смертельным заболеванием.

В результате этих исследований ученые также заметили, что после усиления или ослабления вирулентности микроба перемены в его поведении передавались будущим поколениям. Но может ли это происходить за счет каких-либо изменений наследственности?

Бактериологи объясняли это явление адаптацией. Данный термин как раз начал входить в моду у эволюционных биологов и обозначал эволюционные изменения в живых организмах, возникающие с течением времени в связи с приспособлением к среде. Тогда ученые еще не предполагали, что наследственность бактерий может определяться генами, поэтому пытались связывать ее с физическим строением самих микроорганизмов и их колоний, с внутренними химическими процессами или даже с их поведением в отношении носителей. Это были измеримые характеристики, бактериальный эквивалент того, что эволюционные биологи называют фенотипом (совокупность физических свойств организма в отличие от генотипа, то есть комплекса генетических характеристик).

Бактериологи также установили, что одни и те же бактерии могут существовать в нескольких подтипах, различие между которыми зачастую определяется антителами. Такие подтипы называют серотипами. В 1921 году британский бактериолог Дж. А. Аркрайт заметил, что колонии вирулентного типа возбудителя дизентерии Shigella, выращенные на покрытых слизью культуральных планшетах, имели гладкую поверхность и выпуклую полусферическую форму, в то время как колонии ослабленных и невирулентных бактерий того же вида имели изломанные границы и шероховатую поверхность и были гораздо более плоскими. Для описания характеристик таких колоний он ввел термины «гладкий» и «шероховатый» (или S и R – от английских слов smooth и rough). Аркрайт отметил, что R-формы возникают в культурах, выращенных в искусственной среде, а не в колониях бактерий, взятых из тканей зараженного человека. Он пришел к выводу, что своими глазами наблюдает дарвиновский процесс эволюции.

Вот как Аркрайт писал об этом: «Инфицированный человеческий организм можно считать средой, задающей патогенным бактериям такую форму, в которой они обычно встречаются нам».

Вскоре исследователи из других стран подтвердили, что утрата вирулентности некоторыми патогенными бактериями сопровождалась такими же изменениями во внешнем виде колоний. В 1923 году Фредерик Гриффит, эпидемиолог, работавший в Министерстве здравоохранения в Лондоне, сообщил, что пневмококки (возбудители эпидемической пневмонии и менингита, которые особенно интересовали Освальда Эвери в Рокфеллеровской лаборатории) формируют аналогичные S- и R-формы на культуральных планшетах. Гриффит был известен как добросовестный ученый, и Эвери был заинтригован.

Эксперименты Гриффита имели и другие результаты, которые поразили и даже шокировали Эвери.

Однажды Гриффит ввел лабораторным мышам невирулентные пневмококки R-типа, относящиеся к штамму, известному как тип I. К инъекции он должен был добавить так называемый адъювант – вещество, которое стимулирует иммунный ответ на пневмококки R-типа. Самым распространенным адъювантом в данном случае была слизь из желудка подопытного животного. Но по какой-то неясной причине Гриффит заменил адъювант взвесью из S-пневмококков, полученных из штамма типа II, которые были специально убиты тепловым воздействием. Лабораторные мыши погибли от острой инфекции, и Гриффит рассчитывал найти в их крови большое количество размножающихся R-бактерий типа I, которые он и ввел в начале эксперимента. Каково же было его удивление, когда вместо этого он обнаружил S-бактерии типа II! Каким образом добавление мертвых бактерий в инъекцию могло изменить серотип живых с R-типа I на крайне вирулентный S-тип II?

Исследователи, включая Эвери, уже доказали, что разница между типами S и R определялась различиями в составе полисахаридных капсул, в которые были заключены клетки бактерий. Опыт Гриффита показал, что тестовые бактерии, изначально представлявшие собой пневмококки R-типа, изменили свои полисахаридные оболочки внутри зараженных организмов и привели их в соответствие вирулентному штамму. Но они не могли просто сбросить одну оболочку и надеть другую. Состав оболочки определяется наследственностью бактерии – это наследуемая характеристика. Культуры бактерий типа S, полученных из тел мертвых мышей, продолжали размножаться. Этому могло быть только одно объяснение: добавление мертвых S-бактерий к живым R-бактериям вызвало у последних мутацию и буквально трансформировало их в S-бактерии типа II.

По словам Дюбо, «[в то время] Гриффит считал естественным, что любые изменения должны оставаться в пределах вида. Он не подозревал, что тип пневмококка можно изменить, – это было сродни превращению из одного вида в другой. Ничего подобного ранее не наблюдалось».

* * *

Неудивительно, что Эвери потрясли открытия Гриффита. Как и Роберт Кох до него, Эвери считал, что наследственность бактериальных штаммов остается неизменной. Само понятие мутации, то есть изменения наследственности под влиянием действий экспериментатора, в то время было весьма противоречивым вопросом как в биологии, так и в медицине. Чтобы понять почему, следует сначала объяснить, что такое мутация.

В конце XIX века начался кризис дарвиновской теории. Дарвин и сам понимал, что процесс естественного отбора полагается на какой-то дополнительный механизм или механизмы, способные изменять наследственность таким образом, чтобы можно было выбирать из нескольких наследуемых вариаций. Много десятилетий спустя Джулиан Хаксли прямо указал на эту проблему в первых главах своей книги «Эволюция: современный синтез»: «Естественный отбор как эволюционный принцип подвергся важному критическому переосмыслению, а затем внимание сфокусировалось на природе наследуемых вариаций». В 1900 году голландский биолог Хуго де Фриз предложил инновационный механизм, который мог бы обеспечить возникновение таких вариаций, – концепцию случайных изменений в единице наследования. Возможность для изменения возникает при копировании генов в процессе размножения. Ошибка копирования наследственной информации может привести к случайному изменению в кодировке гена. Де Фриз назвал этот источник наследственных изменений мутацией. После этого Джулиан Хаксли разработал теорию синтеза, объединяющую генетику Менделя (включающую потенциал для изменения наследуемых генов через мутацию) и дарвиновский естественный отбор, действующий на наследственные вариации в рамках вида. Только после этого теория Дарвина вновь обрела авторитет в научных кругах.

Через некоторое время будет доказано, что результаты опыта Гриффита являются именно мутацией – процессом, который так заинтересовал Эвери. Генетики покажут, что превращение пневмококков R-типа в пневмококки S-типа обеспечивалось переносом генов от мертвых бактерий штамма II живым бактериям штамма I. Перенесенные гены были инкорпорированы в последующие циклы размножения, в ходе которого бактерии R-типа I трансформировались в S-тип II. На уровне бактерий это было равнозначно смене вида. Гриффит оказался прав, полагая, что дарвиновский естественный отбор работает даже в течение непродолжительного времени болезни лабораторных мышей.

Результаты экспериментов Гриффита всколыхнули бактериологическое и иммунологическое сообщество. Его открытие было подтверждено несколькими исследовательскими центрами, включая Институт Роберта Коха в Берлине, где пневмококки были впервые классифицированы по нескольким типам. В команде Эвери эта новость также широко обсуждалась, однако Дюбо вспоминает: «Поначалу мы даже не пытались повторить эти опыты. Мы были поражены и даже, можно сказать, интеллектуально парализованы этими невероятными результатами».

С самого начала Эвери просто не верил в возможность трансформации разных типов бактерий. Это можно понять, ведь он был одним из авторитетов в своей области и много лет назад утвердился в мысли о стабильности бактериального размножения. Но в 1926 году Эвери предложил молодому канадскому врачу М. Г. Досону, работавшему в лаборатории Рокфеллеровского института, заняться исследованием этого вопроса. По словам Дюбо, Досон, в отличие от Эвери, был уверен в правильности выводов Гриффита, так как считал, что «если работа сделана британским Министерством здравоохранения, в ней не может быть ошибок».

Досон начал с того, что подтвердил открытие Гриффита в экспериментах с лабораторными мышами. Его работа показала, что большая часть невирулентных бактерий (R-типа) способна в определенных обстоятельствах превращаться в болезнетворный S-тип. К 1930 году над этим же вопросом начал работать китайский коллега Досона Ричард П. Сиа. Вместе они еще дальше продвинулись в экспериментальных наблюдениях, доказав, что наследственные трансформации могут происходить не только в организмах мышей, но и в культуральной среде. На этом этапе Досон покинул отдел Эвери, и его работу продолжил другой молодой врач, Дж. Л. Эллоуэй. Он выяснил, что для запуска трансформации требовалась лишь растворимая фракция, полученная путем воздействия на живые клетки S-пневмококков дезоксихолатом натрия, а затем фильтрации раствора для удаления фрагментов клеток. Когда Эллоуэй добавил к отфильтрованному раствору спирт, активный материал выделился в осадок в форме липкого сиропа. Этот сироп в лаборатории называли трансформирующим началом. Работа продолжалась, годы шли, эксперимент следовал за экспериментом.

Когда в 1932 году Эллоуэй ушел из отдела, Эвери отвел часть собственного времени на исследование трансформаций пневмококков, в частности на доработку процесса приготовления трансформирующего вещества. Однако на этом пути его ждало одно разочарование за другим. Через какое-то время Эвери решил сфокусироваться на химическом составе трансформирующего начала. В лаборатории начались оживленные дискуссии: кто-то полагал, что им является «пламаген», якобы вызывающий рак у кур (сегодня мы знаем, что под этим термином имелся в виду ретровирус), кто-то считал, что генетические изменения в бактериях имеют вирусную природу. По словам Дюбо, Эллоуэй предполагал, что трансформирующим агентом может быть белково-полисахаридный комплекс. Но к 1935 году Эвери начал мыслить в другом направлении. В годовом отчете отдела он указал, что удалось получить трансформирующий материал, не содержащий капсульных полисахаридов. В 1936 году биохимик Роллин Хотчкисс, ставший сотрудником отдела Эвери, сделал историческую запись в личном дневнике: «Эвери убедил меня, что трансформирующий агент вряд ли может быть углеводом и что на белок он тоже мало похож, а затем мечтательно предположил, что это могла бы быть нуклеиновая кислота!» На тот момент Дюбо, который через много лет напишет книгу об Эвери и его работе, расценил это как очередной домысел. И на то были веские причины.

В тот год несколько исследователей из разных стран мира предположили, что нуклеиновые кислоты могут стать ключом к тайне наследования. Эти соединения были открыты в конце XIX века швейцарским биохимиком Иоганном Фридрихом Мишером. Он интересовался химией клеточных ядер, и из белых кровяных клеток, содержащихся в гное, а также из сперматозоидов лосося ему удалось выделить новое химическое соединение с высокой кислотностью, богатое фосфором и состоявшее из невероятно больших молекул. После многолетних исследований ученик Мишера Рихард Альтман ввел для описания этого открытия термин «нуклеиновая кислота». К 1920-м годам генетики уже знали, что существует две разновидности нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая кислота, или РНК, состоящая из четырех структурных веществ (гуанина, аденина, цитозина и урацила, или ГАЦУ), и дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, являющаяся основным компонентом хромосом. Ее элементы почти совпадают с компонентами РНК, только вместо урацила в ДНК присутствует тимин (ГАЦТ). Ученым было известно, что эти базовые компоненты можно разделить на две пары сходных органических веществ: аденин и гуанин являются пиринами, а цитозин и тимин – пиримидинами. Было понятно и то, что, связываясь, эти вещества образуют очень длинные молекулы. Первоначально генетики полагали, что РНК характерна для растений, а ДНК – для животных, но к началу 1930-х годов было обнаружено, что обе нуклеиновых кислоты равно распространены как в растительном, так и в животном мире. Тем не менее роль нуклеиновых кислот в ядре клетки все еще была неясна.

Фибус Аарон Левин, блестящий химик-органик, работавший в Рокфеллеровском институте, предположил, что ДНК и РНК имеют банальную структуру – идентичные группы из четырех компонентов повторяются и повторяются по всей длине молекулы. Это предположение называется тетрануклеотидной гипотезой. Разумеется, такая банальная молекула не могла служить основанием для сложнейшего процесса наследования. Как писал Хорас Фриленд Джадсон, «ученые с догматическим упорством придерживались мнения, что ДНК представляет собой всего лишь структурную подпорку, вешалку для рубашки, подрамник для шедевра Рембрандта, в то время как генетическим материалом должен быть белок».

Белки – это длинные молекулы, состоящие из более мелких органических соединений, называемых аминокислотами. В формировании белков участвуют 20 аминокислот, которые можно сравнить с буквами, составляющими алфавит. Если приравнивать гены к словам, то лишь сложные белки были бы в состоянии составить слова, пригодные для рассказа целой истории. Химики (а за ними и генетики) не без оснований полагали, что только такой уровень сложности может обеспечить создание шаблона памяти, требующегося для запуска процессов наследования. Джадсон назвал этот подход «белковой версией центральной догмы».

Именно этому духу времени и противоречил Эвери. Начиная с 1935 года он указывал в своих годовых отчетах перед правлением института, что трансформирующее вещество не содержит капсульных полисахаридов и, соответственно, не является белком.

Однако дальнейшего прогресса в этой области исследований не наблюдалось. Частично это объяснялось тем, что Дюбо, работавший в том же отделе, совершил прорыв в изучении антибиотиков. В 1925 году Александр Флеминг из лондонского госпиталя Святой Марии открыл потенциальный антибиотик пенициллин, но не смог довести работу до стадии эффективного производства в медицинских целях. Действуя в соответствии с библейским принципом «прах к праху», Дюбо первым начал исследовать почвенные микробы, которые потенциально могли атаковать полисахаридную оболочку пневмококков. К началу 1930-х годов ему удалось добиться прогресса. На клюквенном болоте в Нью-Джерси он обнаружил палочку, которая при помощи своей похожей на броню внешней оболочки разрушала толстую полисахаридную капсулу, окружавшую клетки пневмококков. Дюбо получил энзим, который выделяла эта палочка, и в 1930 году совместно с Эвери опубликовал в журнале Science статью о своем успехе. В последующих публикациях ученые рассказывали о дальнейших экспериментах, направленных на применение клюквенного энзима в лечении человека, а именно о потенциально смертельных пневмонии и менингите, вызываемых пневмококками.

Однако Дюбо и Эвери постоянно сталкивались с препятствиями в работе. Частично это объясняется тем, что многое в новаторской области исследований было им неизвестно. Более личной и серьезной проблемой был развившийся у Эвери из-за стресса тиреотоксикоз – подрывающее силы аутоиммунное заболевание, вызванное избыточной активностью щитовидной железы.

При тиреотоксикозе организм буквально затопляют тиреодные гормоны, и метаболизм начинает работать на износ, вызывая опасное переутомление. Эвери постоянно чувствовал дрожь, возбуждение, физическое и душевное беспокойство, он не мог расслабиться и страдал от нарушений сна. Для творческого человека находиться в таком состоянии невозможно. Ему пришлось на некоторое время уйти из лаборатории и лечь в больницу для удаления «токсичного зоба». Нужно сказать, что такая операция имеет высокий риск побочных эффектов и в некоторых случаях может привести к смерти пациента. Хирург рекомендовал Эвери в первое время после процедуры избегать любых физических и умственных нагрузок. Дюбо вспоминает, что Эвери не возвращался в лабораторию в течение полугода, а без него работа медленно угасала. Дюбо писал: «Я занимался [своим исследованием] три или четыре года, но не смог продвинуться в нем достаточно далеко, потому что и в моих знаниях в области генетики и биохимии, и в состоянии самих этих наук имелись серьезные пробелы».

Однако, несмотря на трудности, Дюбо продолжал работу, и в 1939 году его старания были вознаграждены – ученому удалось открыть первый антибиотик на основе почвенных микроорганизмов, названный грамидицином. Однако грамидицин нельзя было принимать перорально или вводить в виде инъекции из-за его высокой токсичности. Единственной областью его применения были заболевания кожи. Дюбо продолжил исследования, а затем совершенно внезапно пальму первенства в этой области перехватил конкурент Дюбо и Эвери. Доктор Герхард Домагк, работавший в лаборатории компании Bayer в Эльберфельде, заявил об открытии нового антибактериального агента – пронтозил. Этот первый из так называемых сульфаниламидных препаратов был немедленно включен в арсенал медиков и стал применяться в лечении ряда инфекционных заболеваний, ранее считавшихся смертельными.

Сегодня мы часто забываем, что еще в 1930-х годах человечество практически не контролировало инфекционные заболевания. Эпидемии скарлатины, кори, пневмонии, менингита и полиомиелита волнами прокатывались по планете с постоянной частотой (иногда ежегодно). Другие опасные болезни угрожали людям ежедневно: туберкулез, который косил больных целыми семьями, септический артрит, септический остеомиелит, вызывающий болезненные абсцессы в костях, и распространенная, но смертельно опасная стрептококковая инфекция, которая могла распространиться из воспаленного горла в мозг, вызывая абсцесс. В большинстве стран, как развитых, так и развивающихся, инфекции (включая бессимптомные формы туберкулеза) убивали в первую очередь людей с ослабленным иммунитетом. Лечение инфекционных заболеваний было важнейшей задачей, стоящей перед человечеством. Для Дюбо и в первую очередь для Эвери падение их линии обороны было настоящей трагедией.

Когда по прошествии установленного врачами срока Эвери вернулся к работе, он переключился на изучение трансформирующего вещества. Колин Маклеод усовершенствовал технологию его выделения, и теперь лаборатория могла получать достаточное количество вещества для анализа и тестирования. Прогресс не заставил себя ждать, и в отчете для правления Рокфеллеровского института за 1940–1941 годы Эвери и Маклеод уверенно утверждали, что даже после самой тщательной очистки в трансформирующем веществе не было обнаружено белка.

Летом того же года Маклеод покинул институт. Он получил пост профессора бактериологии медицинского факультета Нью-Йоркского университета. Тем не менее он продолжал интересоваться проектом, часто приезжал в Институт и давал свои рекомендации. Место Маклеода в эксперименте с трансформирующим агентом занял молодой педиатр Маклин Маккарти, который привнес в лабораторию недостающие знания в области биохимии. Теперь, когда команда Эвери располагала достаточным количеством трансформирующего вещества в стабильной форме, Маккарти мог применить свои химические навыки для его дальнейшей обработки и выявления активного ингредиента. Он начал с культур пневмококков в больших объемах (от 50 до 75 литров) и разработал последовательность действий для увеличения объема производимого трансформирующего вещества с параллельным удалением протеинов, полисахаридов и рибонуклеиновой кислоты. В соответствии с распространенным подходом к принципу наследования считалось, что ключом к нему являются нуклеопротеины. Таким образом приоритетом работ Маккарти стало обеспечение отсутствия белков в конечном тестовом материале.

К этому моменту Маккарти удалось получить концентрированный раствор активного материала. Он добавил в него ряд энзимов, таких как кишечный трипсин и химотрипсин, разрушающих белки, рибонуклеиновую кислоту и полисахариды в оболочках пневмококков. Оставшееся вещество еще раз обработал хлороформом в попытке уничтожить даже остаточные протеиновые следы.

К концу 1942 года, после многочисленных экспериментов Маккарти пришел к выводу, что трансформирующие свойства заключались в крайне вязкой фракции, состоявшей почти исключительно из полимеризированной дезоксирибонуклеиновой кислоты. Поместив эту фракцию в колбу, он начал выделять осадок, добавляя к ней по капле абсолютный этиловый спирт (практически не содержащий воды) и помешивая раствор стеклянной палочкой. Активный материал выделился в растворе в форме длинных и очень тонких белых нитей, закручивающихся вокруг палочки. Дюбо вспоминает, какой восторг испытали сотрудники лаборатории, наблюдавшие за появлением этих нитей – трансформирующего вещества в чистой форме.

В начале 1943 года Эвери, Маклеод и Маккарти представили результаты своих исследований выдающимся химикам Принстонского отделения Рокфеллеровского института медицинских исследований. Вероятно, химики были поражены или даже ошеломлены увиденным, однако они не привели никаких контраргументов и не потребовали дополнительных доказательств. В апреле того же года исследователи сообщили об открытии правлению Рокфеллеровского института, а в ноябре – всему миру в статье, отправленной в Journal of Experimental Medicine и опубликованной в начале 1944 года. Заголовок статьи был длинным и взвешенным: «Исследование химической природы вещества, индуцирующего трансформацию типов пневмококков. Индуцирование трансформации фракцией дезоксирибонуклеиновой кислоты, выделенной из пневмококка типа III».

По словам Дюбо, эта публикация «имела ошеломляющий эффект». Восторг, скрываемый за осторожностью, сквозит в письме Эвери к брату Рою от 26 мая 1943 года:

«…Последние два года, сначала совместно с Маклеодом, а теперь с доктором Маккарти, я пытался выяснить химическую природу содержащегося в бактериальных экстрактах вещества, которое запускает специфические изменения… Это была та еще работа, полная тревог и неудач. Но, кажется, у нас наконец-то получилось… Если говорить вкратце, это вещество… почти полностью соответствует теоретическим свойствам чистой дезоксирибозовой нуклеиновой кислоты. Кто бы мог подумать?»

В письме Эвери называет это вещество дезоксирибозовой нуклеиновой кислотой, в публикации – дезоксирибонуклеиновой кислотой. Сегодня мы привыкли обозначать его аббревиатурой – ДНК.

2. ДНК оказывается кодом

Вспоминая о том, как поначалу он оказался не в состоянии оценить открытие Эвери, Стент пришел к выводу: «В некоторых аспектах работа Эвери и его коллег еще сильнее опередила свое время, чем труды Менделя».

Ути Дайхман

По мнению лауреата Нобелевской премии Лайнуса Полинга, ученым повезло, ведь в их мире гораздо больше тайн и загадок, чем в мире людей, не интересующихся наукой. И действительно, в то время в лаборатории Эвери при Рокфеллеровском институте медицинских исследований царило ощущение восторга и предвкушения. В 1943 году Освальду Эвери исполнилось 65 лет. Ранее он планировал выйти на пенсию и переехать в Нэшвилл к семье своего брата Роя, но теперь вопрос об уходе из лаборатории даже не стоял. Необходимо было продолжить работу над трансформирующим началом. В частности, Эвери нужно было убедить коллег-микробиологов, а затем и все скептически настроенное биохимическое и генетическое сообщество в важности своего открытия.

Эвери по натуре был консерватором. За десятилетие с небольшим до этого он вместе с коллегой выдвинул предположение, что иммунологические различия между различными типами пневмококков определяются сложными молекулами сахаров (полисахаридами), а не белками. Эта теория в конечном итоге оказалась верной, но изначально вызвала резкую полемику, которая не могла не сказаться на нервном и чувствительном Эвери. В длинном и бессвязном письме брату Эвери несколько раз упоминает о том, как его беспокоит реакция общественности на открытие: «Опасно выходить на публику неподготовленным… Надувать мыльные пузыри очень весело, но лучше лопать их самому, прежде чем это попытается сделать кто-то еще».

Один из соперников поджидал Эвери совсем рядом. Альфред Э. Мирски, выдающийся биохимик и генетик, также работавший в Рокфеллеровском институте, отнесся к открытию Эвери с недоверием. К тому же Мирски считался специалистом по ДНК. Именно он открыл так называемый принцип константности ДНК, предполагающий, что количество ДНК в ядре каждой клетки остается неизменным. И вот теперь он сомневался в эффективности способа, который Маккарти применил для выделения ДНК. Приверженец «чистых» биохимических экспериментов, Мирски верил, что за наследственность отвечают белки ядра – так называемые нуклеопротеины. Даже в 1946 году он продолжал утверждать, что двух энзимов, использованных Маккарти в опыте, было недостаточно для удаления всех белков. Мирски обладал большим влиянием в генетических кругах, и его аргументы впечатлили даже величайшего генетика того времени Германа Дж. Мёллера, получившего в том же году Нобелевскую премию за сделанное двумя десятилетиями ранее открытие мутаций в генах плодовых мушек под воздействием рентгеновских лучей. Мёллер говорил: «Так называемая нуклеиновая кислота Эвери, скорее всего, представляет собой нуклеопротеин, просто слишком сильно связанный, чтобы его можно было обнаружить обычными методами».

В какой-то степени подобное расхождение во мнениях типично для любой науки, в которой две группы ученых с разными научными базами пытаются исследовать одно и то же явление. Если новое открытие противоречит общепринятой парадигме, аргументы неизбежно становятся все более желчными. Но громкие протесты Мирски сказались на нем особенно негативно. В 1947 году Мёллер в качестве научной работы опубликовал «Пилгримовскую лекцию». В ней он заявлял, что вопрос о том, что является ключом к наследственности – нуклеиновая кислота или белок, – «остается открытым». Как писал историк и философ науки Роберт Олби, «через популярную Пилгримовскую лекцию Мёллера этот [скептический] взгляд распространился среди широкой публики».

Эвери попытался ответить критикам новой серией экспериментов со строгой проверкой качества. Маккарти покинул лабораторию в 1946 году, оставив свой эксперимент в руках педантичного Роллина Хотчкисса. Последний провел несколько новых химических опытов с экстрактом, чтобы подтвердить, что тот состоит из ДНК, и опроверг возражения Мирски, очистив экстракт до такой степени, что содержание белка в нем не превышало 0,02 %. Кроме того, Хотчкисс доказал, что белок был деактивирован недавно открытым кристаллическим энзимом, характерным для ДНК, – дезоксирибонулеазой. Многие генетики по-прежнему были непреклонны, но некоторые начали обращать внимание на работу Эвери и его лаборатории.

Впоследствии из интервью с немецким биофизиком и будущим нобелевским лауреатом Максом Дельбрюком Хорас Фриленд Джадсон узнал, что некоторые выдающиеся исследователи понимали потенциальную важность открытий Эвери. «Разумеется, присутствовал и скептицизм, – вспоминает Дельбрюк. – Любой, кто узнавал об этом, сразу же замечал парадокс… ДНК считалась бессмысленным веществом… не имеющим конкретных свойств. Кто-то явно был не прав. Либо в ДНК был смысл, либо трансформация не зависела от ДНК». Эвери задал вопрос монументальной важности, и единственным способом разрешить эту дилемму было провести альтернативный эксперимент, чтобы понять, прав он или нет.

В 1951 году такой эксперимент провели два американских микробиолога – Алфред Херши и Марта Чейз, занимавшиеся изучением того, как вирусы используют бактерии в качестве «заводов» для сборки вирусов следующего поколения. Такие вирусы называются бактериофагами, или, для краткости, фагами (от греч. phago – есть, так как вирусы поглощают культуры бактерий-носителей). Наличие и количество вирусов можно измерить, посеяв бактерии-носители в размягченный под действием тепла агар, добавив вирусы в различные растворы, а затем распределив по планшету. Остывая, агар сформирует тонкий и ровный слой слизи, который наутро будет кишеть размножающимися бактериями. В местах, где среди бактерий оказался вирус, можно будет увидеть круглое прозрачное окно, образовавшееся в результате лизиса (разрушения) бактерий. Такие окна легко увидеть и подсчитать. Этой технологии я научился еще в студенчестве от своего профессора, а впоследствии, став врачом, использовал ее в экспериментах, направленных на изучение природы аутоиммунности. Она проста и поэтому используется тысячами ученых в самых разных опытах.

Херши и Чейз заинтересовало, что вирусы-фаги формируют ядро генетического материала, заключенное в белковую капсулу. По сути, каждый вирус представляет собой нечто вроде шприца. При инфицировании он впрыскивает в бактерию-носитель генетический материал, а пустая белковая оболочка остается прикрепленной к внешней стенке клетки. Введенный в клетку генетический материал вируса копируется в процессе размножения бактерии.

Херши и Чейз разработали уникальный эксперимент, призванный показать, какое вещество лежит в основе репродуктивной системы вирусов – белок или ДНК. Для начала они добавили радиоактивный фосфор и радиоактивную серу в среды, где выращивались две отдельные колонии бактерий. Через четыре часа после того, как радиоактивные элементы были поглощены бактериями, Херши и Чейз ввели вирусы-фаги.

Для того чтобы понять суть эксперимента, нужно знать, что ДНК имеет в своем составе фосфор, но не содержит серу, в то время как аминокислоты, составляющие белки, наоборот, являются серо-, а не фосфоросодержащими.

Введя фаги в обе культуры бактерий, Херши и Чейз получили два поколения вирусов. У одного в составе имелся радиоактивный фосфор, а у другого – радиоактивная сера. Заражая бактерии, вирусы оставляли пустые белковые оболочки прикрепленными к внешним стенкам бактериальных клеток, а содержимое оболочек, в составе которого имелась и ДНК, впрыскивали внутрь. Путем центрифугирования Херши и Чейз удалили пустые оболочки. Инфицированные бактерии развивались в соответствии со своим обычным репродуктивным циклом, внутри них генерировались новые фаги, которые затем прорывали оболочки тел бактерий и попадали в питательную среду. Удалив остатки бактерий-носителей, ученые сфокусировались на сформировавшихся вирусах.

Сравнив пустые белковые оболочки вирусов с живыми, полностью сформировавшимися фагами, полными генетического материала, исследователи обнаружили, что 90 % всей радиоактивной серы остались в оболочках после инфицирования бактерий, а 85 % фосфора вошли в состав ДНК, которая попала в бактериальные клетки и сыграла роль кода для создания следующего поколения вирусов. Это подтвердило открытие Эвери: кодом к наследственности является не белок, а ДНК.

Следует заметить, что отделение оболочки вируса от ее содержимого, включающего в себя ДНК, связано с гораздо более высоким риском белковых примесей, чем процедура экстракции, которую применял Эвери. Тем не менее этот эксперимент гораздо эффективнее убедил скептически настроенных генетиков, чем опыты Эвери. Возможно, все дело было в его яркой наглядности, а может, в новом необычном способе получения информации. Помогло и то, что эксперимент признали многие выдающиеся генетики.

* * *

Сегодня, оглядываясь назад, большинство ученых видят работу Эвери, Маклеода и Маккарти 1944 года как первое заявление о том, что ДНК является молекулой наследования. Его приводят в качестве одного из самых печальных примеров открытия, которое стоило Нобелевской премии, но не получило ее. Существуют многочисленные свидетельства, что старшие коллеги выдвигали Эвери в качестве кандидата, в частности, в его собственной дисциплине – микробиологии и иммунологии. Он был номинирован на Нобелевскую премию дважды: первый раз в конце 1930-х годов за работу над типами пневмококков и их связью с классификацией бактерий в целом, второй – после публикации его труда 1944 года за фундаментальный вклад в биологию. Но, судя по всему, Нобелевский комитет это не убедило. Сейчас это видится огромной ошибкой и заставляет многих людей с удивлением чесать в затылке.

Дюбо проработал 15 лет в соседнем с Эвери кабинете и имел множество возможностей узнать его самого, понять его подход к науке и увидеть его реакцию на стресс, связанный с продвижением новых научных концепций (разумеется, в той степени, в какой это позволял застенчивый профессор). В 1976 году Дюбо писал, что отсутствие признания, скорее всего, объяснялось волей случая в сочетании с характером Эвери. Он упоминал, что в то время Эвери никогда не закрывал двери своей лаборатории и небольшого кабинета, чтобы любой сотрудник мог свободно войти и поговорить с ним. Благодаря открытой двери Дюбо наблюдал действия Фесса на рабочем месте, слушал его беседы с коллегами и был свидетелем его размышлений.

Этот скромный, невысокий, худощавый холостяк неизменно приходил на работу аккуратно и сдержанно одетым. Консервативный костюм лишь подчеркивал очарование его живой и обходительной натуры. Круглая лысая голова казалась слишком большой для его хрупкого тела, глаза всегда сверкали и смотрели вопросительно. Он превращал любую, даже самую обычную, беседу в театральное выступление с выразительными жестами, мимикой, многозначительными комментариями и фейерверками острот. Эвери был несколько застенчив в общении (и часто молча наблюдал за беседой), но при этом в его манере чувствовалась какая-то трогательная уязвимость, что делало его еще более интересным собеседником.

Мне кажется, что творческое начало в науке, как и в литературе, живописи, музыке или театре, неразрывно связано с личностными качествами человека. Эстетичность Эвери, его отдаленность от городской суеты Нью-Йорка (даже несмотря на то, что он жил рядом с Рокфеллеровским институтом и ходил на работу пешком) казалась присущей скорее актеру, чем ученому. В целом поведение Эвери было довольно неоднозначным. Он страдал от перепадов настроения, особенно когда оставался один в лаборатории, и нередко чувствовал себя удрученным неудачами. Говорил (очевидно, имея в виду себя), что обида сильнее ранит обиженного, чем того, на кого он обижен. Он часто не отвечал на письма и отказывался от помощи секретаря. Эвери не просматривал и не поддерживал никаких научных работ, в создании которых он не принимал участия. Дюбо писал: «В его натуре сочетались доброта и жесткость в отношении тех задач, которые он ставил перед собой». В начале медицинской карьеры Эвери был успешен на преподавательском поприще, но позже возненавидел читать лекции по результатам собственных исследований. В этом он был похож на Чарльза Дарвина. Эвери старательно избегал любых обсуждений своего здоровья и даже малейшего вмешательства в частную жизнь, которую он посвятил своему младшему брату Рою и осиротевшей двоюродной сестре. Их он поддерживал всю свою жизнь. Он никогда не выражал недовольства критикой своих работ, даже если она была неоправданной. Помимо писем к брату он не оставил никаких записей о своих мыслях и переживаниях. Дюбо особенно запомнился один эпизод из общения с Эвери.

Однажды в начале 1934 года (в тот же год, когда у Эвери развился тиреотоксикоз) Дюбо сказал Эвери, что собирается жениться. Его избранницей была Мари Луиза Бонне, француженка, живущая в Париже. Эвери очень обрадовался этой новости. Разговор происходил в лаборатории на шестом этаже госпиталя Рокфеллеровского института. После беседы Эвери встал с кресла, подошел к окну и некоторое время смотрел в него, погруженный в свои мысли. Вернувшись на свое место, он заметил, что много лет назад планировал женитьбу, но обстоятельства сложились против него. Судя по всему, речь шла о медсестре, с которой Эвери познакомился, читая курс студентам в лаборатории Хоугленд. В то время ему было 32 года. На пару секунд глаза пожилого ученого наполнились тоской.

«Одна из величайших радостей в жизни, – сказал он Дюбо, – состоит в том, чтобы возвращаться домой к кому-то, кто рад видеть тебя больше, чем любого другого человека на земле».

Судьба оказалась жестокой к обоим ученым. Мари Луиза Бонне умерла от туберкулеза как раз в то время, пока Дюбо работал над созданием антибиотика, способного вылечить это заболевание. У пары не было детей, и смерть жены стала ужасным ударом для ученого. Он прекратил исследования антибиотиков, и их продолжением занялся его бывший учитель Зельман Ваксман из Ратгертского сельскохозяйственного колледжа (сегодня это Ратгертский университет). По итогам его работы был открыт ряд важных антибиотиков, включая стрептомицин. В результате Ваксман в 1952 году был удостоен Нобелевской премии по медицине и физиологии.

Большая часть наблюдений Дюбо свидетельствовала о крайней концентрации Эвери и искреннем стремлении к цели в науке и своей работе. Но его преданность исследованиям все чаще сопровождалась замкнутостью на грани затворничества.

Ученые, которые долго работают над сложной, но в итоге разрешимой задачей, обычно с удовольствием говорят о ней – если не с прессой и друзьями, то, по крайней мере, с коллегами. Они ездят на научные симпозиумы или принимают участие в конференциях, наслаждаются чувством товарищества, которое возникает между людьми, имеющими общие интересы. Как писал Фрэнк Порчугэл, «масштабные дискуссии с коллегами, как один на один, так и на встречах, – это неотъемлемая часть научного процесса. Это важный элемент формирования партнерских отношений, достижения и признания научного прогресса». Большинство ученых рады славе и почестям, которые (пускай и очень редко) приносит им их работа. Но Освальд Эвери был не таков.

В 1944 году Эвери присудили почетную степень Кембриджского университета – награду, которой гордилось бы большинство ученых. В следующем году он был удостоен медали Копли от Королевского научного общества Великобритании. Семья Эвери происходила из Англии – его предки эмигрировал в Канаду из Норвича в конце XIX века. Тем не менее он отказался ехать в Британию даже по таким торжественным поводам, ссылаясь на состояние здоровья, которое не позволяло ему летать никаким классом, кроме первого. По мнению Дюбо, это была лишь уловка. Вполне возможно, что Эвери чувствовал себя неуютно во время путешествий, страдал от клаустрофобии или боялся долгих перелетов. Вспоминая приступы мрачного настроения, во время которых Эвери часто бормотал себе под нос о губительном влиянии обиды, создается впечатление, что он просто был не в состоянии подавить в себе злость, вызванную давнишними жаркими спорами о его полисахаридном типировании пневмококков. Как бы там ни было, от обеих наград Эвери отказался.

Этот случай показывает, насколько сильным было предубеждение Эвери против подобного формального признания его трудов. Сэр Генри Дейл, президент Королевского научного общества в Англии, решил самостоятельно привезти медаль Копли в Рокфеллеровский институт и лично вручить ее скромному пожилому ученому. Вместе с ним отправился доктор Тодд, лично знакомый с Эвери. Многоуважаемые гости из Великобритании приехали в Рокфеллеровский институт в Нью-Йорке без предупреждения и направились прямо в отдел, которым руководил Эвери. Но когда через постоянно открытую дверь они увидели ученого за работой в своей лаборатории, они не решились нарушить его покой и ушли.

Доктор Тодд вспоминает, как сэр Генри Дейл при этом добавил: «Теперь я все понял».

Каким бы странным ни казалось подобное поведение, оно сочеталось с затворническим характером Эвери, человека, который избегал личных контактов, за исключением ближайших родственников и коллег по работе. Гении могут позволить себе странности. Но несмотря на это, именно Эвери, сын баптистского проповедника, открыл, что ДНК является молекулой наследования. И даже отбросив в сторону все личностные причины, нельзя не задаться вопросом: почему такое фундаментальное открытие не было удостоено Нобелевской премии.

В письмах к брату Эвери был крайне скромен в своих прогнозах. Мог ли мир не заметить открытия из-за сочетания внутреннего консерватизма ученого, излишней осторожности и принижении важности результатов его работы в публикации 1944 года? По словам Дюбо, из нее «не было понятно, что полученные результаты открывают дверь к новой эре биологии». Дюбо предполагает, что Нобелевский комитет, не привыкший к такой сдержанности и самокритике, «граничащей с неврозом», мог решить дождаться подтверждения открытия Эвери и более масштабных его последствий. Иными словами, Дюбо считал, что статья могла оказаться неудачной не с научной, а с публицистической точки зрения.

Отсутствие признания кажется еще более странным, учитывая, что работа 1944 года, пускай и не оцененная по достоинству в момент публикации, с течением времени приобретала все больший и больший вес. Статья Херши и Чейз была напечатана в 1952 году, а Крик и Уотсон обнародовали знаменитое открытие трехмерной структуры ДНК в 1953-м. На тот момент Эвери был жив, хотя уже ушел из науки. Он умер через два года, в 1955 году.

Недавно Нобелевский комитет открыл доступ к ранним документам, демонстрирующим ход его работы, и эти документы подтвердили большую часть выводов Дюбо. При выборе лауреата премии сотрудники комитета опирались на предложения лидирующих экспертов со всего мира. По словам Порчугэла, который провел анализ нобелевских архивов, «судя по всему, видные биохимики не были до конца убеждены, что ДНК действительно является основой наследственности». Ни один генетик не выдвинул Эвери на получение Нобелевской премии. Возможно, проблема заключалась в том, что открытие, сделанное на примере одного вида бактерий, было сложно экстраполировать более широко. Но даже те коллеги, которые номинировали Эвери на получение премии, выделяли не его работу с ДНК, а иммунологическое типирование капсул пневмококков. Порчугэл также предполагает, что специфическое поведение Эвери, включая его нежелание встречаться и обмениваться информацией с коллегами, в том числе с генетиками, могло повлиять на то, что научный мир не заметил его прорыва.

Вероятно, у читателя осталось чувство досады от того, что достижения Эвери не были признаны по достоинству. В момент публикации его инновационной работы ученому было 67 лет. Видный биохимик Эрвин Чаргафф говорил, что случаи, когда открытия совершаются старым человеком, крайне редки: «Это был тихий человек, и он дал бы миру больше, если бы мир больше ценил его».

Но существует и более ценное признание любого открытия, чем любая престижная награда. По словам Фриленда Джадсона, «Эвери открыл новое пространство в сознании биологов». Он имел в виду, что ученый познал важную истину, нашел неизвестные величины и задал новые важные вопросы. Эвери, в его бесконечной скромности, поднимал эти новые важные вопросы в письме к брату:

Если мы правы, пускай это еще и не доказано, значит, нуклеиновые кислоты не только имеют структурную важность, но и являются функционально активными веществами, определяющими биохимическое действие и специфические характеристики клеток, и с помощью известного химического вещества возможно вносить в клетки предсказуемые генетические изменения. Генетики мечтают об этом уже много лет… Это выглядит как вирус, но может оказаться геном. Я еще окончательно не понял механизм этого процесса – всему свое время. Первым шагом было выяснить химическую природу трансформирующего принципа. Остальные шаги может сделать кто-то другой…

3. История на картинке

Вы рассматриваете науку (или, по крайней мере, говорите о науке) как какое-то аморальное изобретение человечества, как что-то далекое от реальности, что-то, что следует охранять и не впускать в повседневную жизнь. Но науку и повседневность не нужно и невозможно разделить.

Розалинд Франклин

Открытие Эвери, Маклеодом и Маккарти «трансформирующего вещества», подтвержденное элегантным экспериментом Херши и Чейз с бактериофагами, доказало, что именно ДНК является молекулой наследования. Но обе группы работали с микробами, бактериями и вирусами, природа наследования у которых гораздо проще, чем, например, у растений и животных. Перед учеными оставалось еще множество вопросов, требующих ответа. Действительно ли ДНК является ключом к наследственности всего живого или это утверждение верно лишь для бактерий и вирусов? К началу 1950-х годов множество различных лабораторий подтвердили, что ДНК представляет собой важный компонент ядер растительных и животных клеток. Это подкрепило теорию о том, что именно она является молекулой, кодирующей саму жизнь. Но как это работает? Каким образом единственная молекула может определять сложную наследственность целого организма?

Эти же вопросы начали задавать себе биологи, врачи, молекулярные биохимики и генетики. Для ответа на них было важно понять точную молекулярную структуру ДНК. Если признать, что именно в ДНК хранится генетическая память, то как именно это невероятно сложное качество обеспечивается структурой молекулы? Как генетическая память передается от родителей к потомкам? Как она объясняет эмбриональное развитие – появление из одной-единственной клетки, возникшей в результате слияния отцовского сперматозоида и материнской яйцеклетки, человеческого эмбриона, который затем превращается во взрослого человека?

Но был и еще один вопрос огромной важности.

Сердце биологии – дарвиновская теория эволюции. В общих чертах она заключается в том, что природа осуществляет отбор из ряда вариаций наследственности различных особей в рамках популяции. Естественный отбор действует очень просто, если не сказать жестко. Особи (и варианты наследования), которые имеют небольшие преимущества для выживания и соответственно более высокие шансы оставить потомство, вносят больший вклад в генетический фонд своего вида. Естественный отбор работает скорее как выборка более сильных. Особи, не имеющие необходимых для выживания преимуществ, с гораздо большей вероятностью погибнут, и их гены вряд ли попадут в общий генетический фонд популяции.

Эволюционные биологи-дарвинисты называют этот показатель вклада каждой отдельной особи в генофонд популяции относительной приспособляемостью. Разумеется, это понятие не имеет ничего общего с расистскими теориями превосходства, неполноценности и выживания сильнейших (это словосочетание в обиход ввел не Дарвин, а философ и социолог Герберт Спенсер). Но, если задуматься, вариативная наследственность, необходимая для работы естественного отбора, также должна реализовываться с помощью механизмов, включающих в себя удивительную молекулу ДНК. Таким образом, ДНК становится не только основой наследственности, но и сердцем самой эволюции. На все эти вопросы требовалось найти ответы, поэтому ученые занялись исследованием структуры (предположив, что она обусловливает функциональность) и свойств ДНК.

Первый шаг к ответам на все эти вопросы был сделан еще в 1943 году при необычных обстоятельствах. Его совершил не биохимик, не биолог и не генетик, а физик из Австрии. В 16:30 в пятницу, 5 февраля Эрвин Шрёдингер поднялся на трибуну в Дублине и прочитал лекцию, которую сегодня считают поворотным моментом в биологии. В 1933 году Шрёдингер был удостоен Нобелевской премии за работу в области квантовой физики, которая расширила наше понимание волновой механики. Но я, пожалуй, не стану запутывать себя и вводить в заблуждение читателей попытками углубиться в эту сферу. Позже Шрёдингер уехал из Австрии в знак протеста против нарушения прав человека и поселился в нейтральной Ирландии по приглашению ее президента Имона де Валера. В Дублине ученый содействовал основанию Института перспективных исследований и в рамках его поддержки согласился прочитать три лекции, объединенные общей темой «Что такое жизнь?».

Шрёдингер был так знаменит, что в аудиторию, рассчитанную на 400 человек, все желающие не поместились. При этом слушателей предупредили заранее, что выступление будет посвящено довольно сложной теме и автор не станет объяснять ее на популярном уровне (хотя Шрёдингер и обещал не упоминать математику). В аудитории присутствовали де Валера, министры его кабинета и репортер Times. Остается лишь догадываться, какие выводы политики и журналисты могли сделать из рассказов ученого о том, «как физика и химия описывают пространственно-временные события, происходящие в пределах живого организма».

Впоследствии Шрёдингер на основе трех дублинских лекций составил небольшую (менее 100 страниц) книгу «Что такое жизнь?». Она была издана на следующий год. В книге ученый популяризовал квантовую интерпретацию генов, которая была предложена ранее выдающимся физиком Максом Дельбрюком.

В начале первой главы Шрёдингер задает вопрос: «Как процессы, происходящие внутри живого организма, могут толковаться с точки зрения физики и химии?» Признавая, что знаний, которыми располагали эти науки на момент написания книги, недостаточно для ответа, он тем не менее высказывает мнение, что «важнейшую часть живой клетки – хромосомное волокно – можно назвать апериодическим кристаллом». Автор сам выделил эти слова, чтобы подчеркнуть, что физика его времени имела дело лишь с периодическими кристаллами, то есть повторяющимися атомными структурами, которые можно наблюдать в самых очевидных кристальных формах (например, в драгоценных камнях).

Что же Шрёдингер имел в виду под апериодическим кристаллом?

Он объяснял этот термин с помощью метафоры. Приглядевшись к обоям на стене, мы можем заметить рисунок, который постоянно повторяется. Это периодический кристалл. Рассматривая гобелены, сотканные по эскизам Рафаэля, мы также заметим осмысленный и последовательный паттерн, однако рисунок повторяться не будет.

Далее Шрёдингер продолжил рассуждения. По его словам, хромосомы или, скорее всего, какие-то другие продольные волокна, слишком тонкие, чтобы их можно было рассмотреть под микроскопом, должны содержать некую «кодовую запись», шаблон, задающий параметры развития человека от оплодотворения яйцеклетки до рождения, а затем определяющий функционирование того, что мы называем геномом, в течение его жизни.

Эти рассуждения подвигли юного, наивного, но крайне любопытного американца Джеймса Дьюи Уотсона, объединить усилия с чуть более опытным и таким же пытливым англичанином Фрэнсисом Криком и создать, пожалуй, наиболее известный на сегодня научный союз. Оба ученых, вдохновившись работой Шрёдингера, начали поиски апериодического кристалла.

* * *

Уотсон был невероятно умным ребенком. Он жил в Чикаго и учился в местном университете, куда поступил в 15 лет, получив в 19 степень бакалавра (в 1947 году). При этом целый год его учебного курса был посвящен зоологии. Его учитель эмбриологии вспоминал, что Уотсон не интересовался лекциями и никогда ничего не записывал, но, несмотря на это, стал лучшим выпускником в своем классе. Впоследствии Уотсон признавался, что ему было попросту лень. Он немного интересовался птицами, но при этом сознательно избегал любых курсов химии или биологии, имевших хотя бы средний уровень сложности. Знания ленивого выпускника о генетике и биохимии тоже были весьма поверхностными. В рамках образовательного курса он посещал лекции Сьюэла Райта, создателя математической системы изучения популяционной генетики. В лекциях обсуждались и работы Эвери, но Уотсон признавался, но пропустил этот материал. Он также заявлял, что его интерес к «тайнам гена» возник после прочтения книги Шрёдингера «Что такое жизнь?».

Вдохновленный книгой, Уотсон получил исследовательскую стипендию в Университете Индианы в Блумингтоне. Он был очень рад этому, так как местным профессором зоологии был нобелевский лауреат Герман Джозеф Мёллер, который еще в 1921 году наблюдал в генах плодовых мушек мутации, аналогичные описанным Хершли и Чейс в генах бактериофагов. Уотсон заинтересовался, как можно манипулировать фагами в пробирках. Репродуктивные циклы этих вирусов крайне коротки, что отлично подходило нетерпеливому ученому. Существовали простые системы, предназначенные для анализа их количества и жизненного цикла, которые могли позволить взглянуть на проблему генов под новым углом. Нужно было всего лишь тщательно разработать эксперимент, направленный на изучение конкретного аспекта этой проблемы, и ответ был готов через пару дней. Близкое и жестокое взаимодействие между фагами и их носителями-бактериями помогло ученым разобраться в сложной химии генов, наследственности и хромосом.

Удивительно, но направление растущему интересу юного Уотсона задал не Мёллер, а другой исследователь фагов – Сальвадор Лурия.

Итальянец по происхождению, Лурия был микробиологом. Как и Эвери, он бежал в Америку от ужасов войны. К тому моменту он работал совместно с Максом Дельбрюком, занимавшим пост профессора биологии в Калифорнийском технологическом университете. В 1943 году Лурия и Дельбрюк разработали и провели эксперимент, продемонстрировавший, что генетическое наследование у бактерий осуществляется в соответствии со строгими эволюционными принципами. Это опыт стал краеугольным камнем современного дарвинизма. В тот же год Дельбрюк подружился с другим микробиологом, Альфредом Херши, который позднее напишет работу о ДНК вместе с Мартой Чейз. В письме Лурии Дельбрюк описывает Херши так: «Пьет виски вместо чая. Живет на лодке… Любит независимость». Трое ученых объединили усилия, сформировав так называемую фаговую группу. Позднее Дельбрюк рассказывал, что участники группы свободно и регулярно общались между собой, но не отчитывались друг перед другом о своих мыслях и действиях. Таким образом, два беженца из Европы смогли положить начало творческому движению, направленному к единой цели – раскрытию тайны генов.

Лурия, Дельбрюк и Херши задались интересными вопросами. Каким образом вирус проникает в бактерию? Как он размножается внутри? Делится ли он, как сама бактерия, отпочковываются ли от него дочерние вирусы? Или он имеет абсолютно иной механизм размножения? Представляет ли он собой сложный физический или химический процесс, который можно объяснить, используя уже известные принципы этих наук? Они надеялись разгадать тайну генов с помощью репродуктивной системы фагов. Сначала эта задача казалась им простой, но шли годы, опыт следовал за опытом, а они так и не приблизились к ответу.

До начала 1940-х годов ученые вроде Дельбрюка и Лурии считали вирусы простыми организмами. У них не было оснований думать иначе, так как большая часть вирусов настолько мала, что их не удавалось детально рассмотреть в обычный оптический микроскоп. Вирусы даже сравнивали с молекулами белка. Лурия, ошибочно упрощая ситуацию, определял вирусы как продолжения бактериального генома. Но после того как немецкая компания Siemens изобрела электронный микроскоп, ученый мир впервые смог увидеть даже мельчайшие вирусы (в том числе бактериофаги). Тут же стало видно, что они гораздо сложнее, чем изначально предполагали Лурия и Дельбрюк.

Многие фаги имеют цилиндрическую головку, под которой расположен узкий хвост такой же длины. Хвост заканчивается базальной пластинкой, к которой прикреплены волокна (фибриллы). Теперь, когда Дельбрюк и Лурия могли визуализировать процесс инфицирования бактерий-носителей, нечто показалось им странным. Вирусы не проходили через клеточную стенку бактерий. Судя по всему, они прикреплялись к ней и впрыскивали внутрь клетки свой генетический материал. В 1951 году исследователь фагов Роджер Хэрриотт писал Херши: «Я представляю себе вирус как небольшой шприц, наполненный трансформирующим агентом». На основании этого описания Херши и Чейз провели собственный эксперимент и подтвердили, что все происходит именно так. Вирус действительно ведет себя как шприц: хвост и длинные фибриллы прикрепляются к стенке бактерии, и фаг вводит через нее свою ДНК, захватывая под контроль генетические механизмы бактерии. Геном вируса заставляет бактериальный геном создавать материал, необходимый для строительства дочерних вирусов. В результате инфицированная клетка становится чем-то вроде фабрики по их производству.

Благодаря этому открытию (а также его распространению на микробиологию и генетику) группа ученых (Дельбрюк, Лурия и Херши) получила в 1969 году Нобелевскую премию.

Но вернемся в 1947 год. Неуемная энергия и харизма Лурии и гений Дельбрюка оказали огромное влияние на юного Уотсона после его прибытия в Университет Индианы. Он все еще был захвачен тайной гена и надеялся, что сможет раскрыть ее, не прибегая к помощи физики или химии.

Из содержания бесед между Лурией и Уотсоном следует, что в Блумингтоне знали об открытии ДНК Эвери. Лурия встречался с ним в 1943 году, еще до публикации главной работы, и имел возможность подробно обсудить ее результаты. Он описывал Уотсону Эвери как очень скромного ученого, точно выражавшего свои мысли и любившего во время разговора закрывать глаза и почесывать лысую голову. «Он выглядел как химик, хотя на самом деле был доктором медицины», – добавлял Лурия. Позднее в «Двойной спирали» Уотсон писал, что Эвери выделил чистую молекулу ДНК и продемонстрировал, как наследственные признаки могут передаваться от одной бактериальной клетки к другой. Учитывая, что ученым было известно о присутствии ДНК в хромосомах всех типов живых клеток, «эксперименты Эвери показывали, что… все гены должны состоять из ДНК».

Осенью 1947 года Уотсон, которому на тот момент было всего 19 лет, записался на курсы Лурии по бактериологии и Мёллера – по генным мутациям, вызванным воздействием рентгеновских лучей. Ему пришлось выбирать – работать с дрозофилами вместе с Мёллером или с микробами под руководством Лурии. Уотсон предпочел второй вариант, хотя среди студентов ходили слухи о вспыльчивости итальянца. Через некоторое время Уотсон сам перенял манеру общения учителя. Дельбрюк оставался для него героической фигурой, так как именно он подсказал Шрёдингеру идеи, которые затем легли в основу книги, вдохновившей юного ученого. Уотсон был счастлив, когда во время визита Дельбрюка в Блумингтон Лурия представил тому своего ученика.

Под руководством Лурии Уотсон писал докторскую работу о патологическом влиянии рентгеновских лучей на фаги, она была настолько скучной, что впоследствии он даже не упоминал ее в своей биографии. Однако даже это не поколебало интереса Уотсона к генам. Летом 1949 года, когда докторская работа уже близилась к завершению, он решил съездить в Европу. Лурия выбил для него у Национального научно-исследовательского совета стипендию Мерка – три тысячи долларов на первый год с возможностью возобновления. В мае следующего года, получив докторскую степень, Уотсон отплыл в Данию, где должен был изучать нуклеотиды под руководством биохимика Германа Калькара. Калькар был талантливым ученым, но ни гены, ни бактериофаги его не интересовали. Разочарованный Уотсон переключился на сотрудничество с другим датчанином, Оле Маалё, который работал над переносом ДНК, помеченной радиоактивными изотопами, от фагов к их потомкам.

Совершенно внезапно Калькар согласился принять участие в краткосрочном проекте исследовательского института зоологии в Неаполе и предложил Уотсону присоединиться. Несмотря на то что морская биология его интересовала мало, Уотсон с удовольствием согласился на путешествие, надеясь погреться на итальянском солнышке. К его разочарованию, Неаполь оказался сырым и промозглым, а в его комнате на шестом этаже дома, построенного в XIX веке, не было даже обогревателя. «Большую часть времени я проводил в прогулках по улицам и чтении журнальных статей, – рассказывал он. – Я мечтал раскрыть секрет гена, но ни одна более или менее приличная идея не приходила мне в голову».

В зоологическом институте он совершенно случайно попал на лекцию английского ученого Мориса Уилкинса. В обычных обстоятельствах подобная лекция вряд ли его заинтересовала бы, ведь анонсировалось, что большая ее часть будет посвящена биохимии белков. «Зачем мне слушать о скучных химических фактах, если химики еще ни разу не сказали ничего полезного о нуклеиновых кислотах?» Тем не менее Уотсон решился посетить мероприятие.

Уилкинс оказался высоким, неуверенным в себе и несколько вялым ученым в очках, и, казалось бы, его выступление должно было нагнать на Уотсона скуку. Однако этого не случилось. Во-первых, лекция была прочитана понятным языком, а во-вторых, даже несмотря на застенчивую манеру разговора, Уилкинс знал свое дело. Внезапно ближе к концу лекции вниманием Уотсона завладел один из слайдов. На экране он увидел фотографию того, что Уилкинс назвал дифракционной картиной ДНК, полученной с помощью рентгеновского аппарата в лондонском Кингс-колледже. Позже Уотсон признавался, что понятия не имел о рентгеновской кристаллографии. Он ничего не понимал из того, что читал о ней в научных журналах, и считал большую часть заявлений «этих безумных кристаллографов» полной чушью.

И вот теперь Уилкинс походя сообщил ему, что перед ним – самое точное изображение ДНК, которое ему и его коллегам удалось получить путем рентгеновских исследований. В аудитории также присутствовал физик из Лидса Уильям Астбери, пионер дифракционного исследования биологических молекул и создатель первых рентгенограмм ДНК. Позднее Астбери подтвердил, что никому еще не удавалось сделать серию более точных изображений молекулы ДНК, чем те, которые продемонстрировал Уилкинс: «В литературе до этого не встречалось ничего подобного». Комментируя слайд, Уилкинс предположил, что ДНК может иметь кристаллическую структуру.

Уотсон был крайне возбужден: пророчество Шрёдингера сбывалось у него на глазах. Еще большее его восхищение вызвали рассуждения Уилкинса о том, что, поняв структуру ДНК, мы смогли бы объяснить, как работают гены. Уотсон начал задаваться вопросами. Кто этот интересный английский джентльмен и как бы присоединиться к его команде в Кингс-колледже?

* * *

На самом деле Морис Хью Фредерик Уилкинс не был англичанином, как предположил Уотсон. Он родился в Понгароа в Новой Зеландии, где его отец Эдгар Генри работал врачом. Предки Мориса были ирландцами: его дедушка по отцовской линии работал в Дублине директором школы, а по материнской – главой отделения полиции. Покинув Новую Зеландию, его семья сначала вернулась в Ирландию, а затем переехала в Лондон, где позднее доктор Уилкинс начал свою революционную работу в сфере общественного здравоохранения.

Еще в детстве Морис проявлял научное любопытство, которое и привело его в Кембриджский университет. Он получил степень бакалавра физики, а затем написал докторскую работу под руководством Джона Туртона Рэндалла (позднее возведенного в рыцарское достоинство) – физика, который сыграл ключевую роль в создании радара во время Второй мировой войны.

Будучи аспирантом, вместе со своим учителем Уилкинс перешел в Университет Бирмингема, где они продолжили работу над радаром. А затем неожиданно Уилкинса отправили в США для участия в Манхэттенском проекте. Перед ним стояла задача выяснить, как очистить необходимые для реализации проекта изотопы урана, полученные из неочищенных источников, и сделать их пригодными для использования в атомной бомбе. В феврале 1944 года Уилкинс пересек Атлантику на корабле «Королева Елизавета» и оказался в Университете Беркли в Калифорнии, где и внес свой скромный вклад в создание атомной бомбы. Однако разрушение Хиросимы и Нагасаки оружием, которое он помогал создать, заставило Уилкинса мучиться угрызениями совести.

После войны Уилкинс вернулся в Англию и через некоторое время был назначен заместителем руководителя биофизического отделения Кингс-колледжа, основанного Советом медицинских исследований. Его бывший учитель Рэндалл занимал там же пост профессора физики. Задача нового отделения состояла в применении экспериментальных физических методов к важным биологическим задачам. Именно благодаря этому Уилкинс начал сотрудничать с Уотсоном и Криком и присоединился к ним в работе над молекулярным кодом ДНК. Кроме того, работа в Кингс-колледже привела к мучительному служебному роману с кристаллографом Розалинд Франклин.

Учитывая, как развиваются события в нашей истории, я хотел бы сделать паузу и поговорить о личности Уилкинса и ее влиянии на будущее. Судя по его запоздало опубликованной биографии, а также по воспоминаниям знакомых и коллег, Уилкинс был тихим человеком со строгими моральными правилами несколько квакерского толка. В детстве он был эмоционально близок со своей старшей сестрой Эйтни, которая учила его танцевать. Однако их общению пришел конец, когда у Эйтни развилась бактериальная инфекция, перешедшая в септицемию – передаваемое через кровь заболевание, вызывающее септический артрит суставов. Тяжелая болезнь ограничивала девочку в передвижениях и подвергала опасности ее жизнь (дело было до изобретения антибиотиков). Она много месяцев провела в больнице: с руками и ногами, подвешенными на растяжках, и вскрытыми суставами, из которых отсасывали гной. Бедняжка Эйтни выздоровела, но ее дружба с братом на этом закончилась. Этот травматический опыт мог сильно повлиять на его уверенность в себе, в особенности в общении с женским полом.

Еще будучи студентом в Кембридже, он влюбился в Маргарет Рэмзи, но «не сумел должным образом проявить свое внимание». После того как Уилкинс признался ей в своих чувствах, на некоторое время повисло молчание, а затем Рэмзи вышла из комнаты. Во время своего пребывания в Беркли Уилкинс влюбился в художницу по имени Рут. Пара начала жить вместе, Рут забеременела, и через какое-то время они поженились, однако когда после окончания войны Уилкинс сообщил ей о своем желании вернуться в Англию, жена отказалась его сопровождать: «Однажды Рут сказала, что назначила мне встречу с юристом. Я прибыл в его контору и с ужасом узнал, что она хочет расторгнуть наш брак». Вскоре после развода Рут родила сына, и перед отъездом за океан Уилкинс навестил ее и ребенка в больнице.

Уилкинс признавался, что ему нелегко было преодолевать врожденную застенчивость и во время работы в Кингс-колледже он периодически прибегал к помощи психотерапевта. Впоследствии ему удалось встретить женщину по имени Патрисия, которая сумела разглядеть за стеснительностью Уилкинса чуткую душу. Они поженились и были счастливы в семейной жизни вместе со своими четырьмя детьми. Даже у угрызений совести, которыми терзался Уилкинс после Манхэттенского проекта, имелись положительные последствия. Перед его отъездом из Беркли один из коллег пришел ему на помощь. Уилкинс писал: «Он увидел, что я ищу какой-то новый путь, и дал мне почитать недавно вышедшую книгу с амбициозным названием “Что такое жизнь?”».

4. Парочка неудачников

Фрэнсис говорил без конца… Он не останавливался, пока не уставал или пока идея ему не надоедала. А так как мы надеялись, что именно обсуждение поможет нам найти структуру ДНК, Фрэнсис подходил нам идеально.

Джеймс Уотсон

Есть некоторая ирония в том, что Морис Уилкинс оказался в Неаполе совершенно случайно. Он заменял Рэндалла, который согласился прочесть лекцию, но затем не смог на нее приехать. Если бы выступление Рэндалла состоялось, он вряд ли включил бы в него слайд с изображением ДНК или описал бы его со ссылками на книгу Шрёдингера. Лекция, которая так потрясла Уотсона, была посвящена физико-химической структуре крупных биологических молекул, в основном белков, состоящих из тысяч атомов. Главное фото в презентации было сделано Уилкинсом совместно с магистрантом Реймондом Гослингом по технологии, называемой рентгенодифракцией. Эта методика особенно хорошо подходит для поиска повторяющихся молекулярных паттернов, которые характерны для кристаллов, поэтому иногда ее еще называют рентгеновской кристаллографией.

Уотсон вспоминает: «Внезапно химия показалась мне очень интересной». До этого момента Уотсон понятия не имел, что гены могут кристаллизоваться. Для кристаллизации вещество должно иметь упорядоченную атомную структуру, похожую на решетку. Молодой ученый, казалось, свободно перескакивал от одной интересной темы к другой. Он был импульсивен, нетерпелив, в высшей степени прямолинеен, но постоянно двигался навстречу новым приключениям.

«Я тут же начал раздумывать над тем, как присоединиться к команде Уилкинса, работающей с ДНК». Выполнить эту задачу Уотсону не удалось, однако волей случая его пути пересеклись с еще одним кристаллографом – Максом Перуцем, работавшем в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета.

Кавендишская лаборатория – это всемирно известный физический факультет, основанный в XIX веке и названный в честь британского физика и химика Генри Кавендиша. Одним из создателей и первых профессоров факультета был Джеймс Клерк Максвелл, разработавший теорию электромагнетизма. Пятым по счету кавендишским профессором и директором лаборатории на момент прибытия в нее Уотсона был лауреат Нобелевской премии Уильям Лоуренс Брэгг, сменивший на директорском посту лорда Эрнеста Резерфорда, еще одного нобелиата и первого физика, которому удалось расщепить атом. Брэгг, австралиец по происхождению, в 1915 году получил вместе со своим отцом премию по физике за использование рентгеновских лучей в анализе физико-химической структуры кристаллов. Проходя через упорядоченную атомную решетку кристалла, рентгеновские лучи изгибаются. На фотографическую пластину проектируются не изображения самих атомов, а траектории лучей, отразившихся от них. Точно такое же явление, называемое дифракцией, возникает при прохождении света сквозь воду. Проходя через структуру со случайным расположением атомов, рентгеновские лучи рассеиваются хаотично, не формируя паттерн. Но в структуре, атомы которой расположены упорядоченно и создают решетку (например, в кристалле), рентгеновские лучи отражаются предсказуемым образом и попадают на фотографическую пластину. На основании полученной дифракционной картины можно узнать атомную структуру исследуемого объекта.

Отец и сын Брэгги, работавшие вместе в Университете Лидса, построили первый рентгеноспектромер, позволивший ученым заняться атомной структурой кристаллов. В 22 года Брэгг-младший, стипендиат Колледжа Тринити в Кембридже, разработал математическую систему, названную законом Брэгга, которая позволила исследователям рассчитывать положение атомов в кристалле, используя дифракционную картину. На момент появления в лаборатории Уотсона Брэгг переключился на изучение структуры белков. Именно потенциальные возможности, которые открывала рентгенография белков, и привлекли в Кавендишскую лабораторию Макса Перуца.

Перуц родился в Вене в еврейской семье. Он был вынужден покинуть родину, осел в Англии и занялся исследованиями в Кавендишской лаборатории. Перуц под руководством Брэгга написал докторскую работу и посвятил большую часть профессиональной карьеры анализу макромолекулы гемоглобина – сложного железосодержащего белка, который придает красный цвет эритроцитам. Гемоглобин связывется с кислородом, обеспечивая его перенос к тканям. Еще одним сотрудником Кавендишской лаборатории был необычный молодой ученый Фрэнсис Крик. Этот англичанин в 21 год получил степень бакалавра физики в Университетском колледже Лондона. Война и искренняя ненависть к предмету своих докторских исследований (предполагалось, что он должен изучать вязкость воды при высоких температурах) заставили его искать новый источник вдохновения и, как и в случае Уотсона, им стала книга Шрёдингера. Как отмечал сам Крик, «в ней говорилось, что биологические проблемы можно рассматривать с точки зрения физики».

Но как именно? На тот момент Крик еще не был нстолько убежден в правоте открытий Эвери, как Уотсон. Вслед за Шрёдингером он скорее склонялся к белковой гипотезе. Но его, как и Уотсона, поразила предложенная Шрёдингером концепция «кодовой записи». Как же он мог развить идею апериодического кристалла?

Простые кристаллы, например хлорид натрия (каменная соль), не могли бы стать хранилищем для того огромного объема памяти, который занимает генетическая информация, так как их ионы организованы в форме повторяющегося, или регулярного, паттерна. Шрёдингер предполагал, что «чертеж жизни» должен представлять собой вещество, обладающее правильностью кристалла, но при этом имеющее длинную нерегулярную цепочку компонентов. Такая химическая структура позволила бы ему хранить информацию в форме генетического кода. Очевидными кандидатами на роль апериодического кристалла были белки, информация в которых могла бы кодироваться разнообразными последовательностями аминокислот. Но теперь, когда открытие Эвери было подтверждено Херши и Чейз, в качестве молекулярной основы гена была утверждена ДНК. Внезапно перед учеными открылись новые перспективы понимания основ биологии и медицины.

Неопытному Крику удалось пробиться в Кавендишскую лабораторию благодаря удаче и интуиции Перуца. По воспоминаниям последнего, Крик появился в лаборатории в 1949 году и на тот момент не имел совершенно никакой научной репутации: «Он просто пришел к нам, мы поговорили, и нам с Джоном Кендрю он понравился». Итак, просто благодаря своей располагающей манере общения и странному процессу отбора Крик начал работать в Кембридже под руководством Брэгга, Перуца и Кендрю над физическими аспектами биологии (тем, что сегодня мы называем молекулярной биологией).

В 1934 году Джон Десмонд Бернал, ирландец еврейского происхождения и студент Брэгга-старшего, впервые доказал, что даже сложные органические молекулы вроде белков можно исследовать рентгенодифракционным методом. Бернал окончил Кембридж со степенями в математике и естественных науках, был назначен ассистентом Брэгга в Кавендишскую лабораторию в 1927 году, а в 1934 году стал заместителем директора. Вместе с Дороти Ходжкин он одним из первых использовал кристаллографию для изучения органических веществ (веществ, входящих в состав биологических структур), включая воду, витамин В1, вирус табачной мозаики и пищеварительный энзим пепсин. Это был первый белок, исследованный в Кавендишской лаборатории подобным образом. Когда Макс Перуц приехал из Вены в 1936 году, он применил методы Бернала для изучения гемоглобина.

К тому моменту как в лаборатории появился Крик, сэра Уильяма Брэгга уже сменил сэр Лоуренс Брэгг, а Джон Кендрю и Макс Перуц развили достижения Бернала в своей «ужасающей» работе о цепной структуре белков. Пришло время узнать нечто необычное о Фрэнсисе Крике, что Перуц заметил во время их первой встречи. Крик обладал огромным любопытством, с жадностью поглощал научные знания, очень много читал, а его ум мог вместить огромное количество фактов из самых разных дисциплин. Прибыв в Кавендишскую лабораторию, он первым делом ознакомился с трудами своих руководителей. Несмотря на молодость, Крик проанализировал их работы внимательно и критично, начиная с базовых принципов. В конце первого года работы на факультете Крик представил свою критику на семинаре, в качестве названия для которого он выбрал строчку из Китса «Страх погони». Он начал семинар с 20-минутного обзора недостатков, которые обнаружил в методах работы факультета, а затем перешел к «безнадежному несовершенству» всего исследования структуры молекулы гемоглобина. Как мы помним, изучение гемоглобина с помощью рентгеновских лучей было главной целью работы Перуца. Брэгг пришел в ярость от наглости молодого коллеги, но Перуц впоследствии признал правоту Крика и подтвердил, что белки действительно имеют гораздо более сложное строение, чем предполагалось изначально. Неугомонный и чрезвычайно любознательный Крик оказался не самым приятным, а порой и прямо-таки неудобным приобретением для лаборатории. Но пока Брэгг и Перуц бились над загадкой структуры белка, Крика гораздо больше интересовали тайны генов.

По словам Крика, на рубеже 1949–1950 годов он еще не осознавал, что генетическим материалом является ДНК. Он знал, что, согласно исследованиям Барбары Макклинток и других ученых, гены располагались вдоль хромосом в виде линейных цепочек, и белки, которые должны были представлять собой результаты экспрессии генов, также имели подобное расположение, несмотря на их длину и сложность. Следовательно, должен был существовать какой-то логический механизм превращения одного в другое. К 1951 году, после двух лет работы в Кавендишской лаборатории, Крик осознал, что ищет ответ на две разные загадки, не обязательно связанные между собой: как именно гены воспроизводят сами себя и как линейные структуры генов выражаются в линейных структурах белков.

Начитанному и жадному до знаний Крику требовалось то, что Джадсон назвал катализатором. В 1951 году такой катализатор появился в форме неловкого, но такого же любопытного Уотсона. С первой их встречи стало очевидно, что между двумя учеными возникло редкое рабочее единение, союз двух чудаков, оказавшийся гораздо более продуктивным, чем сумма их индивидуальных усилий. Тем не менее это партнерство чудом избежало провала.

* * *

Как вы помните, Уотсон был самым юным из своих коллег. Он лишь недавно получил докторскую степень и приехал в лабораторию Калькара на средства стипендии Мерка, учрежденной Национальным научно-исследовательским советом США. Все условия его работы в Европе были тщательно прописаны в Штатах, но прямо сейчас он собирался нарушить все обязательства, отказаться от работы в Дании и следовать за своими эфемерными мечтами в Англию, где он никогда не был и не имел ни единого знакомого. Импульсивный и упрямый Уотсон впоследствии признавался, что его мысли были заняты только вопросами о единственной фотографии ДНК. Он попытался поговорить с Уилкинсом в Неаполе после лекции, на автобусной остановке по дороге на экскурсию в Пестум. Он даже хотел попробовать воспользоваться приездом своей сестры Элизабет, которая прибыла из Штатов, чтобы посмотреть Италию. Морис Уилкинс и Элизабет оказались за обедом за одним столом, и Уотсон, расценив это как шанс, подсел к ним, чтобы познакомиться с Уилкинсом. Однако тот тут же ушел, так как природная скромность не позволяла ему мешать общению брата и сестры.

Несмотря на крушение планов, Уотсон не собирался отказываться от своего нового интереса: «Через некоторое время я забыл Мориса, но не его фотографию ДНК».

Уотсон на несколько дней остановился в Женеве, чтобы пообщаться со швейцарским исследователем фагов Жаном Вейгле. Разговор еще больше распалил его интерес, когда Вейгли сообщил Уотсону, что известный американский химик Лайнус Полинг частично разгадал загадку белковой структуры. Вейгле присутствовал на лекции Полинга, который, как и Брэгг в Кембридже, работал над рентгеновским анализом молекул белка. Совсем недавно Полинг объявил о том, что белки имеют уникальную и прекрасную трехмерную форму, которую он назвал альфа-спиралью. К моменту возвращения Уотсона в Копенгаген уже вышла публикация Полинга об этом открытии. Уотсон прочитал статью несколько раз. Он очень мало знал о рентгеновской кристаллографии, и это мешало ему понять публикацию полностью. Химическая и физическая терминология, которую использовал Полинг, была так далека от него, что он понимал суть написанного лишь в общих чертах. Реакция Уотсона на статью Полинга была такой по-детски наивной, что сегодня это кажется трогательным: он начал представлять первые строки своей собственной работы, в которой он когда-нибудь напишет об открытии структуры ДНК или об ином столь же значимом научном озарении.

Но что нужно сделать, чтобы эта мечта стала реальностью? Для начала Уотсону следовало узнать побольше о рентгенодифракции. Этим нельзя было заняться в Калтехе, ведь Полинга вряд ли заинтересовал был биолог без капли математических знаний. Лондон тоже исключался из-за равнодушия Уилкинса. Уотсон задумался о Кембридже, где, насколько ему было известно, человек по имени Макс Перуц проводил кристаллографические исследования белка крови гемоглобина.

«Тогда я написал Лурии о своем новом увлечении…»

В 1951 году научный мир был меньше, чем сегодня, но даже тогда мысль о том, что молодой импульсивный ученый может по просьбе своего наставника оказаться в лучшей лаборатории Англии и начать работу над исследованиями в области, о которой он не имеет ни малейшего представления, казалась слишком оптимистичной.

Поразительно, но Лурии это удалось. Он совершенно случайно встретился с коллегой Перуца Джоном Кендрю на небольшой конференции в Энн-Арборе в штате Мичиган. Оба ученых тут же почувствовали, как между ними зарождается дружба и профессиональное единение. Еще одно совпадением состояло в том, что Кендрю искал лаборанта для изучения структуры миоглобина – мышечного белка, содержащего железо и способного, как и гемоглобин, переносить кислород.

Уже дважды за свою короткую карьеру молодой Уотсон совершал прыжок в неизвестное, но неизменно приземлялся на ноги – сначала в Блумингтоне под патронажем Лурии и Дельбрюка, двух основателей фаговой группы, а теперь, через Лурию и Кендрю, в Кембриджской лаборатории Макса Перуца. Прибыв в лабораторию, Уотсон стал подчиненным сэра Лоуренса Брэгга, создателя метода рентгеновской кристаллографии. Это соединило его с будущим партнером в изучении ДНК Фрэнсисом Криком, а за счет связей между Кембриджем и рентгенографической лабораторией в Кингс-колледже – с Морисом Уилкинсом и молодой ученой Розалинд Франклин, которые работали над получением дифракционной картины ДНК.

5. Тайна жизни

Мне кажется, что в то время в глазах научного сообщества они [Крик и Уотсон] выглядели как две бабочки, порхающие вокруг: много ярких идей и ни капли серьезности. Сейчас, оглядываясь назад, нетрудно понять, как мы ошибались.

Морис Уилкинс

На первых страницах своей короткой, остроумной и до беспощадности честной автобиографии Джеймс Уотсон вспоминает о случайной встрече с Уилли Сидсом, которая произошла в 1955 году у подножия ледника в Швейцарии. Это произошло через два года после публикации работы об открытии ДНК. Уотсон и Сидс были знакомы – Сидс работал вместе с Морисом Уилкинсом и исследовал оптические свойства волокон ДНК. Уотсон ожидал вежливой беседы, но Сидс всего лишь буркнул: «Как поживает честный Джим?» Судя по всему, эта история глубоко задела Уотсона, так как он не только запомнил ее, но даже подумывал назвать автобиографию «Честный Джим». Правда, впоследствии он остановился на более описательном варианте – «Двойная спираль». Возможно, бывший коллега сомневался, имеет ли Уотсон право считаться одним из первооткрывателей секрета жизни.

Уотсон вспомнил, как несколько лет назад встречался с Уилли Сидсом в Лондоне. В то время, по его словам, «ДНК все еще была загадкой, над которой билось множество умов… Как один из победителей этой гонки я знал, что за ней лежала совсем не простая история, по крайней мере, не такая, как ее подавали газеты». И действительно, реальность была куда любопытнее. Например, его партнер по исследованиям Фрэнсис Крик признавал, что ни он, ни сам Уотсон не должны были работать с ДНК. Удивительно и то, что до самого дня открытия ни Крик, ни Уотсон не внесли никакого вклада во множество научных тем и обсуждений, которые, будучи совмещенными друг с другом, как кусочки удивительной трехмерной головоломки, впервые в истории выявили молекулярную природу ДНК.

Приезд Уотсона в кембриджскую лабораторию был образцовым примером английского гостеприимства с его полным отсутствием формальностей. Молодой ученый прибыл в кабинет Перуца прямо с железнодорожной станции. Уотсон волновался, что почти ничего не знает о рентгеновской дифракции, но Перуц тут же его успокоил. И Перуц, и Кендрю были химиками по образованию, но тем не менее пробились в эту область науки. Уотсону нужно было всего лишь прочесть пару статей, чтобы ознакомиться с основами темы. На следующий день Уотсона представили седому сэру Лоуренсу, который дал ему формальное разрешение на начало работ под своим руководством. Затем Уотсон вернулся в Копенгаген, чтобы собрать вещи и рассказать Герману Калькару о своей удаче. Кроме того, он написал в Вашингтон в офис, занимающийся распределением стипендии Мерка, чтобы сообщить о смене планов. Через десять дней после возвращения в Кембридж он получил ужасное известие. Новый директор стипендиального фонда Мерка требовал, чтобы Уотсон отказался от своих планов, так как он не обладал достаточной квалификацией для работы кристаллографом. Ему предписывалось ехать в Стокгольм и заняться там физиологией клеток. Уотсон решил еще раз обратиться к Лурии.

Разумеется, Уотсон не собирался выполнять новые инструкции. Даже в самом худшем случае он мог бы прожить еще целый год на тысячу долларов, оставшуюся от прошлогодней стипендии. Когда хозяйка квартиры, которую снимал Уотсон, выгнала его, ему помог Кендрю, выделив молодому коллеге в своем доме крошечную комнату, где постоянно было очень сыро, а древний электрический обогреватель не справлялся с влажностью. Пускай подобное жилье открывало прямую дорогу к туберкулезу, этот вариант был все-таки лучше, чем те, которые Уотсон мог бы себе позволить в бедственном положении. Кроме того, он обнаружил для себя источник утешения: «Я понял, как интересно может быть разговаривать с Фрэнсисом Криком».

И они начали разговаривать. Крик вспоминал об этом так: «Мы с Джимом тут же нашли общий язык, частично благодаря тому, что у нас оказались общие интересы, а частично, как я подозреваю, из-за определенного юношеского запала, беспощадности и нетерпимости к глупости, которая присутствовала в обоих из нас». В результате бесед, продолжавшихся по два-три часа в день в течение двух лет, была раскрыта самая важная тайна в истории биологии – молекулярная основа наследственности.

Для того чтобы понять, как это произошло, нам нужно проанализировать несколько базовых условий. Во-первых, у нас есть двое молодых и амбициозных ученых (Уотсону на этот момент всего 23 года, Крику – 35), которые невероятно умны и стремятся к высочайшим научным достижениям. Уотсон заинтересован, если не одержим, структурой ДНК и потенциальным объяснением механизмов работы генов и хранения наследственного материала с ее помощью. Крик имеет немного другие интересы, но это различие очень важно. Его привлекает не ДНК, не гены сами по себе, но роль ДНК в объяснении того, как загадочные молекулярные коды (апериодические кристаллы) Шрёдингера не только сохраняют наследственную информацию, но и передают ее между собой от генов к другим апериодическим кристаллам, которые определяют структуру белка.

Впоследствии Крик вспоминал, как Уотсон приехал в лабораторию в начале октября 1951 года. В то время он вместе со своей второй женой, француженкой Одиллией, жил в крошечной ветхой квартирке с зеленой дверью, доставшейся ему от семьи Перуцев. Квартира была удобно расположена в центре Кембриджа в нескольких минутах ходьбы от Кавендишской лаборатории. Это было все, что Крик мог себе позволить на свою исследовательскую стипендию. «Зеленая дверь», как называли эту квартиру, состояла из мансарды, нависавшей над домом торговца табаком, «двух с половиной комнат» и небольшой кухни, в которую нужно было подниматься по крутой лестнице на заднем дворе дома того же табачника. Две комнаты использовались как гостиная и спальня Крика и Одиллии, а еще половина была отдана сыну Крика Майклу (от первого брака с Рут Дорин) и использовалась, когда тот возвращался домой из школы. Комната для умывания и туалет находились на лестничной площадке, а ванна с откидной крышкой стояла прямо в кухне.

Однажды Перуц внезапно привел в эту квартиру Уотсона. Крика в этот момент не было дома, но Одиллия рассказала ему, что заходил Макс вместе с «молодым лысым американцем». На самом деле Уотсон был подстрижен «под бокс», но в Англии того времени такой стиль был неизвестен. Уотсон и Крик встретились через пару дней: «Я помню, как мы разговаривали в первые дни знакомства – просто болтали обо всем на свете».

Оба ученых были на мели, но деньги мало их интересовали. Важен был лишь возникший между ними глубоко личный интеллектуальный союз. Крик привнес в него страсть к решению сложных задач и несколько высокомерную веру в то, что даже у такой серьезной проблемы, к которой они готовы были приступить, имеется ответ. Уотсон, мало знавший о рентгеновской кристаллографии, поделился огромным количеством знаний о способах работы генов – плодами бактериологических исследований Лурии и Дельбрюка. Впоследствии Перуц утверждал, что появление Уотсона в Кавендишской лаборатории именно в это время было большой удачей, так как оно буквально гальванизировало Крика, а также добавило экзотический на тот момент генетический аспект к преобладавшим в лаборатории физике и химии. Кроме того, несмотря на разницу в образовании, Крик и Уотсон с одинаковым любопытством относились к загадке, лежащей в самой основе биологии. Буквально с первой встречи они были готовы совместно разгадать тайну гена.

Первым шагом было осознание того, что ответ заключается в ДНК. Если говорить точнее, Уотсон и Крик поняли, что химическая структура должна каким-то образом отражать функцию. А значит, для того, чтобы раскрыть эту тайну, требовалось знать трехмерную структуру ДНК. Однако ее форма была неизвестна ученым того времени. На тот момент Крик и Уотсон не имели о структуре ДНК даже самого туманного представления.

Научным открытиям обычно предшествует длительная лабораторная работа. Каждая крупица знаний добывается с трудом из нескольких (или гораздо большего количества) источников. Во многом поиски ответа на загадку наследственности происходили именно так. Но Уотсон и Крик отказывались идти по пути скучных лабораторных экспериментов и постепенного накопления информации, предоставляя это делать другим. Еще одним важным ингредиентом научного успеха, на котором строился симбиоз Уотсона и Крика, было творческое начало – дар, который играет в науке такую же огромную роль, как и в искусстве.

Во внутренней иерархии лаборатории Крик и Уотсон считались наименее продуктивными. Крик писал: «Я был всего лишь лаборантом, а Джим – и вовсе просто гостем». Они много читали, усваивая результаты тяжелого труда других, разговаривали без конца, думали вслух, проверяли идеи и знания друг друга на прочность. Крик очень часто играл роль адвоката дьявола. Они так много сплетничали и обсуждали, что, несмотря на отсутствие свободных помещений в Кавендишской лаборатории, им даже выделили отдельную комнату, чтобы они не мешали работе старших коллег. Рентгеновская лаборатория с ее тяжелым оборудованием и средствами защиты от радиации располагалась в подвале. Джим и Фрэнсис часто дешево, но весело обедали «пастушьим пирогом» или сосисками и бобами в местном пабе The Eagle – грязноватом заведении в мощеном закоулке. Их научные дебаты обычно не останавливались и здесь.

О ДНК они знали очень мало, и ситуация еще больше усложнялась тем, что Крик полагал большую часть информации о связи ДНК и наследственности неверной. Именно это отношение и привело к возникновению проблем с Брэггом, ведь оно означало, что Крик не доверяет результатам работы старших товарищей по лаборатории. Но настоящей причиной злости Брэгга было открытие химиком Полингом альфа-спирали белка. Крик был уверен, что неудача Кавендишской лаборатории объяснялась результатами более ранних экспериментов с рентгеновским анализом кератина, белка кожи, который также является основным составляющим веществом человеческих ногтей и когтей у животных. Разговор, который впоследствии вспоминал Крик, демонстрирует его образ мышления: «Я пытаюсь сказать, что [так называемые] свидетельства могут быть крайне ненадежными, и поэтому их нужно использовать по минимуму. У нас есть три или четыре факта, и мы не знаем, на какой из них можно положиться…[Что если мы] отбросим вот этот… Тогда можно посмотреть на остальные и попытаться их интерпретировать».

* * *

Уотсон начал работу в Кавендишской лаборатории в 1951 году, когда Лайнус Полинг опубликовал свою работу об альфа-спирали белка. Это открытие так потрясло Уотсона, что в течение всего времени работы с Криком над структурой ДНК он постоянно озирался на Полинга.

И у него были все основания считать того своим главным конкурентом. Полинг, получивший Нобелевскую премию по химии в 1954 году, уже превозносился историками науки как один из самых влиятельных химиков на свете. Его лучшей (хотя и не единственной блестящей) идеей стало применение квантовой теории к химическим связям атомов в молекулах, в частности, в сложных органических соединениях – кирпичиках, из которых выстроена сама жизнь.

ХХ век стал временем поразительных достижений в астрономии. Ученые исследовали звезды, галактики и черные дыры, узнали о существовании сил, управляющих Вселенной. Столь же важными, хотя и не нашедшими такого широкого признания у общественности, были достижения химиков и биохимиков в изучении микромира атомов и молекул. Атомы в молекулах жизни соединяются между собой двумя типами связей. Один из них называется ковалентной, а второй – водородной связью. Полинг применил к силам, участвующим в формировании этих связей, принципы квантовой механики.

Перед нами не стоит задача постичь сложные математические основы прикладной физики – нам нужно понять лишь базовые механизмы. Проще всего разобраться с ними на примере знакомой всем нам молекулы воды.

Всем известно, что химическая формула воды – H2O. Это означает, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Но как они связываются между собой, формируя стабильное вещество, с которым мы сталкиваемся ежедневно? Молекулу воды можно сравнить с планетой (атом кислорода), вокруг которой вращаются две луны (атомы водорода). Пользуясь такой моделью, легко представить, как сила гравитации удерживает водородные луны на орбитах вокруг кислородной планеты. В молекулярных масштабах сила, притягивающая два атома водорода к атому кислорода, называется ковалентной связью. Если мы рассмотрим атом на ультрамикроскопическом уровне, то увидим, что в ядре каждого атома водорода содержится один положительно заряженный протон, а вокруг ядра вращается один отрицательно заряженный электрон. Ядро атома кислорода содержит восемь положительно заряженных протонов, а по орбитам вокруг него движутся восемь электронов с отрицательным зарядом. Эти электроны расположены на двух орбитах: два – на внутренней и шесть – на внешней. При формировании молекулы воды два электрона, вращающиеся вокруг ядер атомов водорода, совмещаются с двумя из шести электронов, находящихся на внешней орбите атома кислорода. Спаренные электроны продолжают притягиваться к протонам своих ядер и, таким образом, оказываются соединенными как с ядрами атомов водорода, так и с ядром атома кислорода. Такое совмещенное притяжение формирует стабильную ковалентную связь между двумя атомами, точно так же, как и сила гравитации создает стабильные орбиты двух лун, вращающихся вокруг нашей воображаемой кислородной планеты.

Водородные связи действуют по-другому. Снова возьмем для примера молекулу воды, но теперь рассмотрим взаимодействие между самими молекулами. Между молекулами, содержащими водород и более тяжелые атомы, например азот, кислород или фтор, возникают силы притяжения, более слабые и менее стабильные, чем ковалентные связи. Молекулы воды состоят из водорода и кислорода, поэтому между ними формируются водородные связи. Плотность связей между молекулами объясняет разницу между водой в газообразной (пар), жидкой и твердой (лед) форме. Когда вода находится в твердом состоянии, ее молекулы, соединенные водородными связями, формируют нечто вроде кристалла. В жидкой воде водородные связи могут соединять разное количество молекул. В паре за счет добавления дополнительной тепловой энергии водородные связи разрываются, в то время как ковалентные связи, скрепляющие атомы внутри молекул, остаются неизменными.

Итак, водородные связи слабы и нестабильны при нагревании, а на ковалентных связях оно не отражается. Такие же два типа связей присутствуют в структуре органических соединений, например белков. Кроме того, они важны и для понимания строения ДНК.

За период с 1927 по 1932 год Полинг опубликовал около 50 научных работ, в которых описывал проведенные им дифракционные исследования, совмещенные с теоретическими расчетами в области квантовой механики. Эти исследования позволили ему вывести пять правил, известных сейчас как правила Полинга и позволяющих ученым предсказывать характер связей, соединяющих атомы в молекулах. Как минимум три из этих правил были основаны на трудах Брэгга, и подобное присвоение чужих результатов повергало того в ярость. Вражда между двумя учеными была неизбежна. Труды Полинга в области химических связей были настолько необычными, что в 1954 году он удостоился Нобелевской премии. Новый уровень понимания позволил Полингу точно визуализировать форму и параметры молекул в трехмерном пространстве. В Калтехе Полинг применил свои знания вместе с технологиями рентгеновской дифракции, разработанными Брэггом, к крупным белковым молекулам. Например, он доказал, что молекула гемоглобина (предмет исследований Перуца) меняет физическое строение после присоединения или утраты атома кислорода. На этом Полинг не остановился, и его исследования молекулярной структуры белков продолжились.

Первые рентгеновские изображения волокнистых белков были получены за несколько лет до этого в университете Лидса Уильямом Томасом Астбери, физиком, присутствовавшим на лекции Уилкинса в Неаполе. Именно на них строились предположения, которые Крик подвергал сомнению в Кавендишской лаборатории. В течение многих лет Полинг пытался применить квантовые расчеты к рентгенограммам Астбери, но результаты никак не сходились. Ему и двум его коллегам, Роберту Кори и Герману Брэнсону, потребовалось 14 лет, чтобы достичь желаемого прорыва.

Базовая структура всех белков строится на основе аминокислотного кода, «буквами» которого являются двадцать разных аминокислот. Химические связи, соединяющие аминокислоты в первичную цепь, называются пептидными связями. Полинг и его коллеги увидели, что пептиды соединяются между собой в двухмерной плоскости (такая связь называется плоскостной). Из-за устаревшего оборудования Астбери сделал серьезную ошибку при создании рентгенограмм: молекулы белков на них отклонились от естественных плоскостей, что затрудняло математическую экстраполяцию их структуры. Исправив ошибку Астбери, Полинг обнаружил, что по мере роста цепочки аминокислот формирующаяся базовая структура белка начинала напоминать витую пружину, закручивающуюся вправо, – так называемую альфа-спираль. Это открытие поразило Уотсона, вернувшегося из Неаполя.

В это время в Кембридже сэр Лоуренс Брэгг был крайне разочарован, что группа Полинга обошла его сотрудников и первой открыла структуру белка. Хотя у этой ситуации была и обратная сторона: Перуц использовал открытие Полинга, чтобы переоценить всю свою работу над молекулой гемоглобина. Эта переоценка в итоге помогла ему раскрыть структурную тайну гемоглобина и обеспечила получение Нобелевской премии по химии в 1963 году. Работа Полинга также заставила насторожиться Уотсона. Сразу по прибытии в Кембридж он понял, что у них с Криком имеется весьма знающий и могущественный соперник в гонке за следующим открытием – трехмерной структурой ДНК.

* * *

Как отмечал Крик в ежедневных беседах и дискуссиях с Уотсоном, их главная проблема состояла в том, что они не могли полагаться на полученные Полингом результаты. «Данные могут быть ложными. Данные могут увести тебя в неверном направлении», – говорил он. Скептически глядя на общепринятые экспериментальные данные, Уотсон и Крик попытались создать свою физическую модель. Иными словами, они полагались на существующую информацию в той же степени, что и на творческие порывы собственного воображения.

Партнеры начали задаваться вопросом, может ли ДНК, как и белки, иметь спиральную структуру. В частности, Уотсон предлагал воспользоваться методом Полинга, который любил строить трехмерные модели изучаемых молекул. Для этого, как и Полингу, им нужно было задуматься об атомной структуре ДНК и собрать своего рода сложную трехмерную головоломку из атомов и связей между ними. Ученые знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре нуклеотида (гуанин, аденин, цитозин и тимин), а также молекула сахара рибозы и неорганическое вещество фосфат. Составив их вместе в правильном порядке, Уотсон и Крик должны были прийти к разгадке занимавшей их тайны.

Теперь перед Уотсоном и Криком стояли два важных вопроса. Во-первых, если ДНК имеет спиралевидную структуру, то какая именно спираль имеется в виду. Во-вторых, как именно в подобное строение вписывается молекула фосфата. Фосфат кальция входит в состав костей, раковин и известняка – камня, сформировавшегося из останков древних морских организмов. Присутствие фосфата указывало на укрепление цепочки ДНК, на своего рода химические «леса», или, может быть, ось. Но как она может располагаться относительно пока неизвестной нам спирали? Где и как в этой структуре появляется сахар? Сам код, очевидно, должен записываться нуклеотидами, играющими роль букв. Каждый ингредиент важен сам по себе. Но каким образом они объединялись в более или менее осмысленное целое?

Ответ на этот вопрос могли подсказать дифракционные паттерны. А значит, Уотсону и Крику требовалась помощь Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин (Рози, как Уотсон называет ее в своей автобиографии), которые проводили рентгенологические исследования волокон ДНК в лондонском Кингс-колледже.

* * *

Розалинд Элси Франклин родилась в 1920 году в Лондоне в богатой еврейской семье. С раннего детства она была смышленой и настойчивой – в самом деле, имела хорошие научные задатки. Кроме того, она обладала боевым, если не агрессивным характером, который не всегда был полезен, учитывая, как предвзято тогда относились к евреям и женщинам в высшем образовании и науке. Не помогало и то, что отец, человек с таким же взрывным темпераментом, не одобрял ее попыток сделать карьеру в науке. На второй год пребывания Розалинд в кембриджском Ньюхэм-колледже он, угрожая урезать содержание, потребовал, чтобы она бросила учебу и занялась практической работой для помощи стране в военное время. Только при поддержке матери и тетушки Розалинд смогла успокоить отца и продолжить обучение.

Франклин занималась физической химией, и ее учебный курс включал лекции, множество материалов для чтения, лабораторные эксперименты в области физики и химии, а также математику, применимую ко всем этим отраслям знания. Одним из обязательных текстов для студентов была работа Лайнуса Полинга «Природа химической связи».

Молодая Розалинд была очень разочарована, когда получила вторую, а не первую степень бакалавра наук в 1941 году. Тогда женщины-ученые сталкивались с такой дискриминацией, что ей и другим выпускницам Ньюхэм-колледжа пришлось ожидать формального присвоения степени до 1947 года, все это время оставаясь в полном неведении относительно того, произойдет ли это когда-нибудь.

Как и Фрэнсис Крик, во время Второй мировой войны Франклин работала на национальную армию. В рамках своей докторской работы она изучала плотность и пористость угля для определения эффективности разных его типов в качестве топлива. После окончания войны она продолжила труды в этом направлении в Государственной центральной лаборатории химических исследований в Париже под руководством Жака Меринга. Он и познакомил Розалинд с рентгеновской кристаллографией, которую применял для изучения волокон, например искусственного шелка. Меринг выглядел как «типичный соблазнительный француз» с «высокими татарскими скулами, зелеными глазами и волосами, залихватски зачесанными поверх залысин». Тем не менее Розалинд с удивлением обнаружила, что он был евреем. Судя по всему, молодая и все еще наивная девушка влюбилась в Меринга. На тот момент он был женат, но его жены «нигде не было видно».

Бренда Мэддокс, одна из биографов Франклин, обращает внимание на то, что самые творческие работы и продуктивные исследования удавались Розалинд в сотрудничестве с коллегами мужского пола и еврейского происхождения. Очевидно, Меринга также привлекла элегантная стройная молодая женщина с блестящими черными волосами и сверкающими глазами. Они проводили целые дни за обсуждениями возможных значений рентгеновских изображений и спорами об атомной структуре молекул.

Однако увлечение Франклин Мерингом было болезненно прервано в феврале 1951 года, когда она приняла предложение занять место научного сотрудника в биофизическом отделении Совета медицинских исследований в лондонском Кингс-колледже, которым руководил Джон Туртон Рэндалл. Ее назначение совпало с крупными послевоенными изменениями в департаменте, направленными на включение в него новой, только зарождающейся отрасли – биофизики. Точный характер и цель назначения Франклин были предметом споров, в частности, потому, что между первым предложением и принятием Франклин должности Рэндалл изменил описание вакансии. Изначально Розалинд согласилась участвовать в дифракционном исследовании белков, но затем, еще до подтверждения решения, Рэндалл написал ей и предложил сменить предмет исследований на ДНК. По словам Мориса Уилкинса, это было сделано по его инициативе. Но, как бы там ни было, Франклин согласилась. Ей предложили в помощники многообещающего выпускника Реймонда Гослинга. Проблема была лишь в том, что новое направление исследований было изначально сопряжено с рядом трудностей.



Конец ознакомительного фрагмента. Купить полную версию.

Примечания

1

Броновски Дж. Восхождение человечества // Предисловие Ричарда Докинза. – СПб.: Питер, 2017. С. 15.

2

Источник: http://www.dictionary.com/browse/gene.