Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

Поэтому трудно с ходу ответить на вопрос, сколько времени у нас это заняло. Мы пережили один интенсивный период моделирования к концу 1951 г., но потом мне пришлось временно воздержаться от дальнейших занятий в этой области, поскольку я все еще не окончил аспирантуры. Летом 1952 г. я с неделю экспериментировал, пытаясь отыскать доказательства в пользу парных связей между основаниями в растворе, но необходимость дописывать диссертацию заставила меня вскоре бросить эту затею. Финальный штурм, вместе с расчетами координат нашей модели, занял всего несколько недель. Какой-то месяц спустя наши статьи вышли в Nature. Этот рабочий срок кажется смехотворным, но к нему следует приплюсовать многие часы чтения и дискуссий, которые привели к окончательному варианту модели.

Вскоре оказалось, что наша модель была еще и не совсем точной. Мы изобразили только две водородные связи в паре Г = Ц, хотя допускали в принципе, что их может быть три. Позднее Полинг выдвинул решающий довод в пользу трех и разозлился, увидев в моей публикации в Scientific American схему с двумя. В данном случае моей вины, однако, не было – редактор так спешил (они всегда спешат), что я в глаза не видел гранок со схемами. Кроме того, мы разместили основания слишком далеко от оси структуры, но эти ошибки не меняют сути дела – наша модель отражала все существенные характеристики двойной спирали: две спиральные цепи, направленные антипараллельно (характеристика, которую я вывел из данных Розалинды); остов с наружной стороны и сложенные стопкой основания – с внутренней; и главное, ключевая особенность структуры – комплементарные пары оснований.

Некоторые моменты часто упускаются из виду. Потребовались храбрость (или наглость, в зависимости от того, как вы на это смотрите) и определенный уровень технической грамотности, чтобы решительно проигнорировать нелегкий вопрос о том, как двойная спираль разматывается, и отвергнуть модель с параллельным расположением нитей ДНК. Подобную модель предлагал космолог Георгий Гамов вскоре после публикации нашей статьи, а позже еще две группы исследователей. Забегая вперед, расскажу об этих двух моделях. В обеих парные цепочки ДНК были не перевиты, как в нашей, а лежали параллельно. Так, утверждали авторы, цепочкам легче разъединяться для репликации. Каждая цепочка извивалась, так что на первый взгляд предлагаемые конфигурации не сильно отличались от наших. Авторы утверждали, что новые модели согласуются с данными рентгенограмм не хуже, а то и лучше нашей.

Я не поверил ни единому слову. У меня вызвали немало сомнений заявления насчет рисунка дифракции, поскольку при такой модели ожидалось бы как минимум несколько лишних пятен в тех характерных пустых местах, которые дает истинная спираль. Кроме того, модели были некрасивы – их формы были притянуты авторами за уши и не имели явных структурных обоснований.

Однако такие аргументы не могут быть решающими, и их легко приписать обыкновенной предвзятости с моей стороны. Две группы новаторов довольно остро ощущали свое маргинальное положение в научном мире. Они опасались, что истеблишмент не станет их слушать. В реальности оказалось иначе: все, включая редакцию Nature, изо всех сил старались дать им честную возможность быть выслушанными.

Примерно в это же время на сцену вышел Билл Поул, чистый математик. Он указал – вполне справедливо – что при прочих равных условиях самым вероятным результатом репликации кольцевой ДНК будут два сцепленных дочерних кольца, а не два отдельных. Из этого он заключил, что цепочки ДНК не могут перевиваться, как предполагали мы, но должны лежать параллельно.

Какое-то время я вел с ним переписку и телефонные разговоры. Потом он нанес мне визит. Он был уже хорошо знаком с подробностями экспериментов и упорно настаивал на своей точке зрения. Я писал ему, что если природа случайно произведет два сцепленных кольца, то в ходе эволюции должен возникнуть механизм, который их расцепляет. Думаю, он счел это возмутительным образчиком логической ошибки, и его это вовсе не убедило. Впоследствии, несколько лет спустя, оказалось, что именно так и происходит в реальности. Ник Коццарелли[28] и его коллеги продемонстрировали, что специальный фермент – топоизомераза II – способен разрезать обе нити участка ДНК, пропустить другой участок ДНК между концами и затем снова сшить разрезанные концы. Таким образом он может расцепить два сцепленных кольца ДНК и даже может, при достаточно высоких концентрациях ДНК, сцепить исходно раздельные кольца.

К счастью, блестящие исследования Уолтера Келлера и Джима Вонга по «коэффициенту зацеплений» ДНК доказали, что все параллельные модели неверны. Они продемонстрировали, что две цепочки кольцевой ДНК перевиты друг с другом примерно столько раз, сколько предсказывала наша модель. Я потратил столько времени на эту проблему, что в 1979 г. совместно с Джимом Вонгом и Биллом Бауэром написал обзорную статью «Действительно ли ДНК – двойная спираль?» (Is DNA Really a Double Helix?), где мы рассмотрели подробно все доводы.

Сомневаюсь, что даже это само по себе убедило бы закоренелого скептика, но как раз в это время Билл Поул выбросил белый флаг. К счастью, наука не стояла на месте. Выдвинуть решающие доводы на основании рентгенограмм прежде мешало отчасти то, что картинка не давала достаточно информации, как и то, что приходилось постулировать условную модель и затем сопоставлять ее со скудными данными.

К концу семидесятых химики открыли эффективный способ синтезировать достаточное количество коротких цепочек ДНК с любой нужной последовательностью оснований. При достаточном везении такую короткую цепочку можно было кристаллизовать. Затем ее структуру можно было определить с помощью рентгеновской дифракции, используя достоверные методы, такие как метод изоморфных замещений, который не нуждался в заранее заданных ожиданиях результата. Кроме того, пятна рентгеновской дифракции на таких кристаллах давали более высокое разрешение, чем старые рентгенограммы нитей, в том числе потому, что нити получали из ДНК с перемешанными последовательностями. Неудивительно, что нити давали менее четкий рисунок молекулы, поскольку рентгенограмма отражает усредненную структуру по всем молекулам.

Первые результаты (около 1980 г.), полученные на этих маленьких кусочках ДНК Алексом Ричем и его командой в Массачусетском технологическом институте, а также Диком Дикерсоном и его коллегами в Калтехе, преподнесли еще одну неожиданность. Рентгенограмма показала левозакрученную структуру, дотоле неизвестную. Она имела вид зигзага и получила название Z-ДНК. Рисунок ее рентгенограммы заметно отличался от классических рентгенограмм ДНК, так что это была явно новая форма ДНК. Обнаружилось, что Z-ДНК свободно формируется только при особой последовательности оснований (чередовании пуринов и пиримидинов). Для чего именно в природе нужна Z-ДНК, до сих пор ломают головы ученые; возможно, она используется в регулятивных последовательностях.

Для более типичных последовательностей ДНК вскоре были получены кристаллические формы. На этот раз получившиеся структуры оказались очень близкими к тем, которые предсказывали данные дифракции на нитях, хотя имелись некоторые отличия, а спираль несколько варьировала в зависимости от локальной последовательности оснований. Эта тема все еще продолжает активно изучаться.