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).