Уотсон Джеймс Д. » Двойная спираль

Но недавно, перечитывая статьи Дж.М. Гэлланда и Д.О. Джордана о кислотном и щелочном титровании ДНК, я в конце концов убедился в справедливости их заключения, что большинство оснований (если не все) образует водородные связи с другими основаниями. И что еще важнее – эти водородные связи возникают и при очень низких концентрациях ДНК, а значит, они связывают между собой основания, принадлежащие одной и той же молекуле. Кроме того, рентгеновские данные свидетельствовали о том, что все исследованные в чистом виде основания образуют столько нерегулярных водородных связей, сколько допускают законы стереохимии. Таким образом, все дело заключалось в существовании некоего правила, которое управляет образованием водородных связей между основаниями.  

На первых порах моя возня с основаниями на бумаге не приносила никаких результатов независимо от того, ходил ли я в тот вечер в кино или нет. Я очень старался очиститься от воспоминаний об «Экстазе», но даже это не помогло обнаружить приемлемые водородные связи, и я заснул, надеясь, что на завтрашней студенческой вечеринке в Даунинге будет много хорошеньких девушек. Но меня ожидало горькое разочарование: там не было никого, кроме пышущих здоровьем спортсменок да двух-трех худосочных светских девиц. Бертран тоже мгновенно понял, что это не для него, и те несколько минут, которые мы из вежливости пробыли там, прежде чем улизнуть, я рассказывал ему, как я пытаюсь обойти отца Питера в состязании за Нобелевскую премию.  

Однако нетривиальная идея осенила меня только в середине следующей недели. Она пришла мне в голову, когда я рисовал конденсированные циклы аденина. Я вдруг заметил, какие многообещающие возможности таятся в такой структуре ДНК, где остаток аденина образовывал бы водородные связи, подобные обнаруженным в кристаллах свободного аденина. При этом каждый адениновый остаток соединялся бы двумя водородными связями с таким же остатком, повернутым по отношению к нему на 180°. А главное – подобные симметричные связи могли соединять между собой также и пары гуанинов, цитозинов и тиминов. Я подумал: а что если каждая молекула ДНК состоит из двух цепей с одинаковой последовательностью оснований, а скрепляют эти цепи водородные связи между парами одинаковых оснований? Правда, дело осложнялось тем, что такая структура не может иметь регулярного остова, поскольку пуриновые основания (аденин и гуанин) и пиримидиновые основания (тимин и цитозин) разной формы. На получавшемся остове должны были образовываться небольшие вздутия и впадины в зависимости от того, из пуринов или из пиримидинов состоит центральная пара оснований.  

Схематическое изображение молекулы ДНК, построенное с учетом спаривания одинаковых оснований.  

Несмотря на то что остов получался такой неаккуратный, у меня забилось сердце. Если ДНК такова, то мое сообщение об этом открытии произведет впечатление разорвавшейся бомбы.  

Существование двух переплетенных цепей с одинаковой последовательностью оснований не может быть случайным. Наоборот, это дает право полагать, что одна из цепей каждой молекулы на какой-то более ранней стадии служила матрицей для синтеза другой цепи. По такой схеме репликация гена начиналась бы с его разделения на две одинаковые цепи. Потом на обеих матрицах-родительницах образовывались бы две дочерние цепи, и получались бы две молекулы ДНК, идентичные первоначальной. Таким образом, если бы каждое основание синтезируемой цепи обязательно присоединялось двумя водородными связями к такому же основанию, то это могло бы определять весь ход репликации гена. Правда, в тот вечер я так и не понял, почему к аденину не может присоединиться водородными связями и обычная таутомерная форма гуанина. Могли происходить и другие ошибки в спаривании оснований. Но это меня не очень пугало, поскольку не исключалось участие еще и специфических ферментов. Например, мог существовать такой фермент, который бы заставлял аденин всегда занимать место против остатка аденина на матрице. Был уже первый час ночи, а я увлекался все больше и больше. Нас с Фрэнсисом давно тревожила мысль, что структура ДНК может оказаться внешне очень скучной, ничего не говорящей ни о ее репликации, ни о ее роли в управлении биохимией клетки. И вот теперь, к моему восторгу и изумлению, решение обещало быть чрезвычайно интересным. Больше двух часов я не мог заснуть от радости, и перед моими закрытыми глазами кружились пары адениновых остатков. И только временами меня охватывал страх, что вдруг эта прекрасная идея все-таки неверна.  

Четыре пары оснований, использованные для постройки модели, в основе которой лежала идея соединения подобного с подобным (пунктиром показаны водородные связи).  

26  

К полудню следующего дня от моей схемы не осталось камня на камне. Против меня был тот неприятный химический факт, что я выбрал не те таутомерные формы гуанина и тимина. Еще до того, как обнаружилась эта печальная истина, я наспех позавтракал в «Лакомке» и ненадолго вернулся к себе в Клэр, чтобы ответить на письмо Макса Дельбрюка, который сообщал, что специалистам из Калифорнийского технологического института моя статья по генетике бактерий показалась недостаточно обоснованной. Тем не менее, если я этого хочу, он пошлет рукопись в «Труды Национальной Академии наук». Таким образом, я опубликую нелепую идею еще молодым, и у меня будет время одуматься, прежде чем я окончательно утвержусь на гибельном пути.  

Сначала это послание возымело желаемое обескураживающее действие. Но теперь, воодушевленный тем, что я, возможно, уже получил самовоспроизводящуюся структуру, я подтвердил, что не сомневаюсь в правильности своих представлений о половом размножении бактерий. Не удержавшись, я добавил, что как раз сегодня изобрел для ДНК изящную структуру, совершенно непохожую на структуру Полинга. Несколько секунд я колебался, не сообщить ли подробности, но решил, что времени на это у меня нет, быстро бросил письмо в почтовый ящик и помчался в лабораторию.  

Письмо не пробыло на почте и часа, а я уже знал, что жестоко промахнулся. Едва я ворвался в наш кабинет и начал объяснять свою схему, как американский кристаллограф Джерри Донохью заявил, что она никуда не годится.  

Различные таутомерные формы гуанина и тимина, которые могут входить в состав ДНК. (Атомы водорода, способные изменять свое расположение, заштрихованы.)  

По мнению Джерри, те таутомерные формы, которые я взял из книги Дэвидсона, неверны. Я тут же возразил, что и в других учебниках гуанин и тимин изображены в енольной форме, но это не произвело впечатления на Джерри. Он злорадно объяснил, что в течение многих лет химики-органики совершенно произвольно отдавали предпочтение одним таутомерным формам перед другим, опираясь на весьма шаткие доводы. Учебники органической химии засорены изображениями чрезвычайно маловероятных таутомерных форм. А формула гуанина, которую я сую ему под нос, почти наверняка липовая. Химическая интуиция Джерри подсказывала ему, что природный гуанин должен существовать в кето-форме. По мнению Джерри, енольная форма неправильно приписывалась и тимину, которому тоже должна быть свойственна кето-форма.  

Однако никаких неопровержимых доказательств в пользу кето-форм Джерри привести не мог. Он сознался, что может сослаться только на одну кристаллическую структуру – дикетопиперазин, пространственная конфигурация которого была тщательно изучена несколько лет назад в лаборатории Полинга. В этом случае, несомненно, присутствовала кето-форма, а не енольная. Но Джерри был убежден, что опирающиеся на квантовую механику доводы в пользу кето-формы дикетопиперазина верны также и для гуанина и тимина. Поэтому мне горячо порекомендовали больше не тратить времени на эту идиотскую схему.  

Конечно, хотелось верить, что Джерри просто заврался, но отмахнуться от его возражений я не мог. Если не считать Лайнуса, Джерри знал о водородных связях больше всех в мире. Он много лет изучал в Калифорнийском технологическом институте кристаллические структуры небольших органических молекул, и я не мог утешать себя тем, что он не понимает существа нашей работы. Он занимал стол в нашем кабинете уже шесть месяцев, и я еще ни разу не слышал, чтобы он судил о том, в чем не разбирался.  

Очень расстроенный, я вернулся к своему столу, надеясь все-таки отыскать какую-нибудь зацепку которая спасла бы идею соединения подобного с подобным. Но было ясно, что новое требование наносило ей смертельный удар. Если поставить атомы водорода в кето-положение, то несоответствие в размерах между пуринами и пиримидинами становилось еще более разительным. Очень трудно было представить себе полинуклеотидный остов, изогнутый до такой степени, чтобы в нем могла поместиться нерегулярная последовательность таких оснований. И даже этот луч надежды погас, когда пришел Фрэнсис. Он тут же сообразил, что структура, в которой подобное соединялось бы с подобным, давала бы кристаллографический период, равный 34 ?, лишь в том случае, если бы каждая цепь образовывала спираль с величиной витка 68 ?. Но это означало бы, что угол поворота между смежными основаниями составляет 18°, а последняя возня с моделями убедила Фрэнсиса, что такая величина совершенно исключена. Кроме того, Фрэнсису не понравилось, что подобная структура не объясняет правил Чаргаффа (соответствие количеств аденина и тимина, гуанина и цитозина). Я, однако, продолжал относиться к данным Чаргаффа с недоверием. Поэтому я обрадовался обеденному перерыву, когда, слушая веселую болтовню Фрэнсиса, отвлекся от своих огорчений и задумался над тем, почему девушки au pair пренебрегают студентами.  

После обеда я не спешил вернуться в лабораторию, опасаясь, как бы попытки втиснуть кето-формы в какую-нибудь новую схему не завели меня в тупик, после чего мне волей-неволей придется признать тот печальный факт, что ни одна схема образования регулярных водородных связей не соответствует рентгеноструктурным данным. До тех пор пока я оставался вне лаборатории, любуясь цветочками, еще можно было надеяться, что все же получится какое-то изящное расположение оснований. К счастью, когда мы наконец поднялись в кабинет, оказалось, что у меня есть предлог отложить решающую попытку еще по крайней мере на несколько часов: не были готовы металлические модели пуринов и пиримидинов, необходимые для систематической проверки всех мыслимых возможностей образования водородных связей. И получить их мы могли не раньше чем через два дня. Даже я не в силах был столько времени томиться в неизвестности, а потому остаток дня потратил на вырезывание точных изображений этих оснований из толстого картона. Однако, когда они были готовы, я сообразил, что поиски ответа придется отложить до завтра: вечером я шел в театр вместе с компанией из пансиона Камиллы.  

Утром, явившись первым в наш кабинет, я быстро убрал со своего стола все бумаги, чтобы получить большую ровную поверхность, где можно было бы складывать пары оснований, соединенных водородными связями. Сначала я было вернулся к своим парам одинаковых оснований, но скоро убедился что это тупик. Тут пришел Джерри; я поднял глаза, увидел, что это не Фрэнсис, и снова начал раскладывать основания так и эдак. И вдруг я заметил, что пара аденин – тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин – цитозин, тоже соединенная по меньшей мере двумя водородными связями. Эти водородные связи образовывались как будто вполне естественно: чтобы придать обеим парам одинаковую форму, не приходилось прибегать ни к каким натяжкам. Я тут же подозвал Джерри и спросил, есть ли у него какие-нибудь возражения против этих новых пар оснований. Когда он ответил, что возражений нет, я воспрянул духом, подумав, что теперь мы могли решить и загадку, почему число пуриновых остатков точно соответствует числу пиримидиновых. Если пурин всегда соединяется водородными связями с пиримидином, то две нерегулярные последовательности оснований прекрасно укладываются регулярно в центре спирали. При этом аденин всегда должен спариваться только с тимином, а гуанин только с цитозином, и правила Чаргаффа, таким образом, неожиданно оказывались следствием двуспиральной структуры ДНК. А главное, такая двойная спираль подсказывала гораздо более приемлемую схему репликации, чем моя недолговечная идея о спаривании подобного с подобным. Постоянное соединение аденина с тимином и гуанина с цитозином означало, что последовательности оснований двух переплетенных цепей комплементарны друг другу. Любая данная последовательность оснований одной цепи автоматически определяла последовательность другой. Поэтому было очень легко представить себе, как одна цепь может стать матрицей для синтеза другой.  

Пары аденин – тимин и гуанин – цитозин, вошедшие в состав модели двойной спирали (пунктиром показаны водородные связи).  

Предположение о возможности образования третьей водородной связи между гуанином и цитозином было отвергнуто, так как кристаллографическое изучение гуанина подсказывало, что такая связь должна быть очень слабой. Теперь известно, что этот вывод был ошибочным и между гуанином и цитозином можно провести три прочные водородные связи.  

Явившийся наконец Фрэнсис не успел еще войти, как я объявил, что теперь дело в шляпе. Хотя первые несколько минут он из принципа сохранял скептицизм, но совпадение формы пар А-Т и Г-Ц произвело на него ожидаемое впечатление. Быстро сложив другие возможные варианты пар, он не нашел иного способа соблюсти правила Чаргаффа. Еще несколько минут спустя он заметил, что две глюкозидные связи (соединяющие основание и сахар) каждой пары оснований систематически связаны осью симметрии второго порядка, перпендикулярной оси спирали. В результате обе пары можно было перевернуть, и их глюкозидные связи все-таки оставались направленными в ту же сторону. А из этого следовало, что каждая данная цепь может включать одновременно и пурины и пиримидины. Вместе с тем это означало, что остовы обеих цепей должны иметь противоположное направление.  

Оставался вопрос, подойдут ли пары А-Т и Г-Ц к конфигурации остова, построенной нами в предыдущие две недели. На первый взгляд это казалось вполне вероятным, так как в центре остова я оставил немало пустого места для оснований. Однако мы оба знали, что цель будет достигнута, только когда мы построим полную модель, удовлетворяющую всем стереохимическим требованиям. Приходилось учитывать и тот факт, что речь шла о вопросе чрезвычайной важности, и не следовало раньше времени кричать «Эврика!». Вот почему мне стало не по себе, когда в обеденный перерыв Фрэнсис принялся рассказывать всем, кто был в «Орле», что мы раскрыли секрет жизни.  

27  

Теперь Фрэнсис занимался только ДНК. В тот день, когда было установлено, что пары А-Т и Г-Ц имеют одинаковую форму, он попробовал вернуться к измерениям для своей диссертации, но толку из этого не вышло. Он то и дело вскакивал со стула, озабоченно смотрел на картонные модели, составлял новые комбинации, потом, снова обретя уверенность, объяснял мне всю важность нашего открытия. Мне было очень приятно слушать его заявления, хотя им и недоставало того оттенка небрежности, который в Кембридже считается обязательным. Было просто невозможно поверить, что структура ДНК раскрыта, что ответ невероятно интересен и что наши имена будут так же тесно связаны с двойной спиралью, как имя Полинга с ?-спиралью. Когда в шесть часов открылся «Орел», мы с Фрэнсисом пошли туда обсудить планы на ближайшие несколько дней. Фрэнсис считал, что следует, не теряя времени, заняться конструированием пространственной модели. Чтобы генетики и биохимики-нуклеинщики больше не тратили напрасно время и силы, их надо как можно скорее поставить в известность о нашем открытии, чтобы они смогли перестроить свои исследования в соответствии с ним. Я не меньше его хотел построить полную модель, но больше думал о Лайнусе и о том, что он может наткнуться на эти же пары оснований, прежде чем мы ему сообщим о них.  

Однако в этот вечер нам не удалось окончательно обосновать двойную спираль. Без металлических оснований модель получилась бы слишком неряшливой и поэтому неубедительной. Я вернулся к Камилле, чтобы сказать Элизабет и Бертрану, что мы с Фрэнсисом, кажется, опередили Полинга и что наше открытие произведет переворот в биологии. Они искренне обрадовались: Элизабет – от гордости за брата, а Бертран – потому что теперь у него появилась возможность рассказывать о приятеле, который получит Нобелевскую премию. Питер тоже пришел в восторг и как будто совсем не огорчился от того, что его отца ждало большое научное поражение.