Джеймс Д. Уотсън, Андрю Бери
ДНК: Тайната на живота (5)

Втора глава
Двойната спирала: Това е животът

Гените ме привлякоха през третата година от следването ми в Чикагския университет. Дотогава планирах да ставам натуралист и очаквах с нетърпение кариерата, която щеше да ме измъкне от градската лудница, където бях израснал. Промяната в сърцето ми бе предизвикана не от незабравим учител, а от книжлето „Какво е животът?“ на родения в Австрия баща на вълновата механика Ервин Шрьодингер, което се появи през 1944 г. В основата му лежаха няколкото лекции, които Шрьодингер бе изнесъл предишната година в Института за напредничави изследвания в Дъблин. Фактът, че един велик физик бе отделил време, за да пише за биологията, възпламени въображението ми. По онова време, като повечето хора, смятах химията и физиката за „реални“ науки, а физиците теоретици поставях на върха на науката.

Шрьодингер твърди, че за живота може да се мисли като за складиране и предаване на биологична информация. Следователно хромозомите са просто преносители на информация. Тъй като във всяка клетка трябва да се побере изключително много информация, тя трябва да се компресира до тъй наречената от Шрьодингер „кодова писменост на наследствеността“, запечатана в молекулярната тъкан на хромозомите. И, за да разберем живота, трябва да идентифицираме тези молекули и да проникнем в кода им. Той дори изказва предположението, че проумяването на живота — което включва откриването на гена — може да ни отведе отвъд законите на физиката, както ги разбирахме тогава. Книгата на Шрьодингер оказа огромно влияние в научните среди. Мнозина от онези, които щяха да изиграят главните роли в първото действие на голямата драма на молекулярната биология, включително Франсис Крик (който също е бивш физик), са прочели като мен „Какво е животът?“ и са били силно впечатлени от него.

В моя случай Шрьодингер раздвижи една особено чувствителна струна в душата ми, тъй като и мен ме интересуваше живо същината на живота. Съвсем малка част от учените все още мислеха, че животът зависи от жизнената сила, еманирана от някакъв всемогъщ бог. Но, подобно на повечето си преподаватели, аз презирах самата идея за витализма. Ако ходовете в играта на живота се предизвикваха от такава жизнена сила, нямаше кой знае каква надежда животът да бъде разбран посредством науката. От друга страна ми допадаше идеята, че безсмъртието на живота се постига чрез нещо като книга с инструкции, написана с таен код. Що за молекулярен код можеше да бъде това, че да предава цялото многообразие, цялото чудо на живия свят? И какъв трябва да е този молекулярен трик, че да осигурява точното копиране на кода при всяко копиране на хромозома?

По времето на дъблинските лекции на Шрьодингер, повечето биолози предполагаха, че в крайна сметка протеините ще бъдат идентифицирани като главните преносители на биологична информация. Протеините са молекулярни вериги, изградени от двайсет различни градивни блокчета, аминокиселините. Тъй като пермутациите в реда на аминокиселините по веригата са безкрайни, протеините биха могли да кодират информацията, лежаща в основата на невероятното разнообразие на живота. Тогава на ДНК не се гледаше като на сериозен кандидат за ролята на преносител на кодираните „писания“, макар да бе откривана изключително в хромозомите и да бе известна вече от около седемдесет и пет години. През 1869 г. работещият в Германия швейцарски биохимик Фридрих Мишер изолира от напоените с гной превръзки, с които го снабдява една местна болница, вещество, което нарича „нуклеин“. Тъй като гнойта се състои предимно от бели кръвни телца, които, за разлика от червените, имат ядро и следователно — съдържащи ДНК хромозоми, Мишер се натъква на добър източник на ДНК. Когато по-късно открива, че нуклеинът може да бъде открит единствено в хромозомите, Мишер разбира, че е направил наистина голямо откритие. През 1893 година той пише: „Наследствеността осигурява продължаването на определени качества от поколение в поколение по начин, който лежи по-дълбоко дори от химическата молекула. Тя се намира в структуриращите атомни групи. В този смисъл аз съм поддръжник на теорията за химическата наследственост.“

Но още няколко десетилетия химията няма да бъде в състояние да се справи с анализа на огромната по размери и сложност молекула на ДНК. Едва през трийсетте години на XX век успяват да покажат, че ДНК е дълга молекула, съдържаща четири различни химически бази: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Но по времето на Шрьодингеровите лекции все още не е било ясно как са свързани химически подразделенията (наречени „дезоксинуклеотиди“) на молекулата. Нито пък се е знаело дали молекулите на ДНК могат да варират в своите последователности от четири различни бази. Ако ДНК беше действително кодираната информация на Шрьодингер, тогава молекулата трябваше да е в състояние да съществува в невероятен брой различни форми. Но тогава все още се смятало, че е възможно една проста последователност като АГТЦ да се повтаря отново и отново по цялата дължина на веригите на ДНК.

ДНК застава в центъра на вниманието на генетиците едва през 1944 година, когато лабораторията на Осуалд Ейвъри в института „Рокфелер“ в Ню Йорк докладва, че съставът на повърхностния слой на бактерията на пневмонията може да бъде променен. Такъв резултат не е очаквал нито той, нито по-младите му колеги Колин Маклауд и Маклин Маккарти.

В продължение на повече от десетилетие групата на Ейвъри проследява друго, съвсем неочаквано наблюдение, направено през 1928 година от Фред Грифит, учен в Британското министерство на здравеопазването. Грифит се интересува от пневмонията и изучава нейния бактериален агент, Pneumococcus. Знаело се е, че тя има два щама, определени като „гладък“ (S) и „грапав“ (R) според вида им под микроскопа. Тези щамове се отличават един от друг не само визуално, но и по своята вирулентност. Мишка, на която са инжектирани S бактерии, умира след няколко дни, докато такава инжектирана с R бактерии остава здрава. Оказва се, че S бактериите са покрити със слой, който пречи на имунната система на мишката да ги разпознае като нашественици. R бактериите нямат такъв повърхностен слой и веднага биват атакувани от имунната система на животното.

Тъй като е свързан с общественото здравеопазване, Грифит знае, че понякога само от един пациент се изолират различни щамове, затова иска да разбере как различните щамове ще си взаимодействат в неговите нещастни мишки. С една комбинация той прави забележително откритие: когато инжектира убита с нагряване S бактерия (безвредна) и нормална R бактерия (също безвредна), мишката умира. Как е възможно две безвредни форми на една бактерия да станат смъртоносни? Ключът към загадката е открит, когато той изолира бактерията Pneumococcus от мъртвата мишка и в нея намира живи S бактерии. Изглежда живата безобидна R бактерия е придобила нещо от мъртвия S вариант; и то, каквото и да е, е позволило на R в присъствието на убитата с нагряване S бактерия да се превърне в жив S щам. Грифит потвърждава реалността на тази трансформация, като култивира S бактерии от мъртвата мишка в продължение на няколко поколения: бактериите действително създават истински бактерии от S тип, както би направил всеки обичаен S щам. Действително в инжектираната в мишката R бактерия настъпва генетична промяна.

Макар този трансформационен феномен да провокира разбиранията на това време, наблюденията на Грифит първоначално не предизвикват особено вълнение сред научните среди. Това отчасти се дължи на факта, че Грифит е извънредно резервиран човек и изпитва такава неприязън към струпването на едно място на големи човешки множества, че рядко се появява на научни конференции. Веднъж се наложило буквално насила да го накарат да изнесе лекция. Колегите му го вкарали в едно такси и го придружили до залата, където той с монотонно мънкане разкрил някаква неизвестна част от микробиологичната си работа, но така и не споменал за бактериалната трансформация. За щастие обаче, не всички пренебрегнали пробива на Грифит.

Осуалд Ейвъри също проявява интерес към подобната на захароза мембрана на Pneumococcus. Той се заема да възпроизведе експеримента на Грифит, за да изолира и характеризира причината за трансформирането на R клетките в S тип. През 1944 година Ейвъри, Маклауд и Маккарти публикуват своите резултати: направените от тях експерименти показват недвусмислено, че трансформиращият принцип е ДНК. Култивирането на бактерията в епруветки вместо в мишки улеснява търсенето на химическата идентичност на трансформиращия фактор в убитите чрез нагряване S клетки. Като унищожават методично един по един биохимичните компоненти на третираните с горещина S клетки, Ейвъри и неговата група искат да разберат дали трансформацията може да бъде предотвратена. Първо разлагат подобната на захароза мембрана на S бактерията. Отново настъпва трансформация: очевидно мембраната не е трансформиращият принцип. След това те използват смес от два, разрушаващи протеините ензима — трипсин и химотрипсин — за да разложат буквално всички протеини в S клетките. За тяхна изненада, и това не повлиява върху трансформацията. По-нататък опитват да въздействат с един ензим (RNase), който разлага РНК (рибонуклеиновата киселина), нуклеинова киселина втори клас, подобна на ДНК, за която се предполага, че участва в белтъчния синтез.

Отчасти поради трудните за приемане факти, излезлият през февруари 1944 година доклад на Ейвъри, Маклауд и Маккарти предизвиква противоречиви реакции. Много генетици приемат техните заключения. Все пак ДНК се открива във всяка хромозома; защо тогава тя да не е генетичният материал? Повечето биохимици обаче изразяват съмнение, че ДНК е достатъчно сложна молекула, за да служи като хранилище на такова количество биологична информация. Те продължават да вярват, че белтъците, другият компонент на хромозомите, в крайна сметка ще се окажат наследствената субстанция. По принцип, както отбелязват съвсем правилно биохимиците, много по-лесно би било да се кодира много и сложна информация, като се използва протеиновата азбука, съдържаща двайсет букви — аминокиселините — отколкото чрез четирибуквената нуклеотидна азбука на ДНК. Особено саркастичен в отхвърлянето си на ДНК като генетична субстанция е колегата на Ейвъри в института „Рокфелер“, химикът в областта на белтъците Алфред Мирски. По това време обаче Ейвъри вече не е активен в научната област. Институтът „Рокфелер“ го пенсионира на шейсет и пет годишна възраст.

Ейвъри пропуска не само възможността да защити работата си от атаките на своите колеги. Той така и не получава Нобелова награда, която определено е заслужил, защото идентифицира ДНК като трансформиращия принцип. Тъй като Нобеловият комитет обнародва документацията си петдесет години след всяка награда, вече знаем, че кандидатурата на Ейвъри е била блокирана от шведския физикохимик Айнър Хамърстън. Макар неговата репутация да се дължи до голяма степен на факта, че е произвел мостри ДНК с ненадминато до този момент високо качество, той продължава да вярва, че гените са все още неоткрит клас протеини. Всъщност, дори след откриването на двойната спирала, Хамърстън продължава да настоява Ейвъри да не получи награда, преди механизмът за ДНК трансформацията да бъде напълно отработен. Ейвъри умира през 1955 година; ако беше живял още няколко години, почти със сигурност щеше да получи наградата.

 

 

Когато през есента на 1947 година пристигнах в университета на Индиана с намерението да изследвам гените за докторската си дисертация, докладът на Ейвъри постоянно присъстваше в разговорите. По онова време никой вече не се съмняваше, че неговите резултати могат да бъдат получени отново, а по-новите изследвания в института „Рокфелер“ правеха още по-малко вероятно предположението, че протеините са генетичните актьори в бактериалната трансформация. Най-сетне ДНК се превръщаше във важна цел за химиците, устремили погледите си към следващия пробив в тази област. В Кеймбридж, Англия, опитният шотландски химик Александър Тод се справя с предизвикателството да идентифицира химическите връзки между нуклеотидите в ДНК. В началото на 1951 година неговата лаборатория доказва, че тези връзки са винаги едни и същи, тоест гръбнакът на молекулата на ДНК е съвсем правилен. През същия период роденият в Австрия бежанец Ъруин Чаргаф от Колежа за лекари и хирурзи при Колумбийския университет използва новата техника на хартиена хроматография, за да изчисли относителните количества от четирите ДНК бази в образците от ДНК, извлечени от различни гръбначни животни и бактерии. Оказва се, че в ДНК на едни видове преобладават аденинът и тиминът, а в ДНК на други видове — гуанинът и цитозинът. Това показва, че е възможно да няма две ДНК молекули с еднакъв състав.

В Индиана се присъединих към групичка учени с устремен далеко напред в бъдещето поглед, предимно физици и химици, изучаващи възпроизводителния процес на вирусите, които атакуват бактериите (бактериофаги). Групата на фагите се ражда, когато ръководителят на докторската ми дисертация, училият в Италия медик Салвадор Лурия, и неговият близък приятел, роденият в Германия физик теоретик Макс Делбрюк, създават екип с американския физикохимик Алфред Хърши. По време на Втората световна война на Лурия и Делбрюк гледат като на вражески съюзници и затова не им гласуват доверие да се включат към военните усилия на американската наука, макар че Лурия, който е евреин, е принуден да избяга от Франция в Ню Йорк, а Делбрюк напуска Германия, защото е против нацизма. Изключени по този начин от общите усилия, двамата продължават да работят в съответните си университетски лаборатории — Лурия в Индиана, а Делбрюк — във Вандербилт, и си сътрудничат при извършването на експерименти върху фагите в продължение на няколко поредни лета в Колд Спринг Харбър. През 1943 година обединяват усилията си с тези на бляскавия, но мълчалив Хърши, който работи самостоятелно върху същия проблем във Вашингтонския университет в Сейнт Луис.

Програмата на групата на фагите се базира върху убеждението, че фагите, като всички останали вируси, са всъщност голи гени. Тази идея е предложена за първи път през 1922 година от отличаващия се с богато въображение американски генетик Хърман Дж. Мълър, който три години по-късно демонстрира, че рентгеновите лъчи причиняват мутации. Закъснялата Нобелова награда му е присъдена през 1946 година, непосредствено след като се присъединява към факултета на университета в Индиана. Всъщност именно неговото присъствие там ме отведе в Индиана. Започнал кариерата си под ръководството на Т. Морган, Мълър знаеше по-добре от всеки друг как се бе развивала генетиката през първата половина на XX век и аз бях очарован от неговите лекции по време на първия си семестър. Работата му върху плодовата мушица (Drosophila) обаче, според мен принадлежеше по-скоро на миналото, отколкото на бъдещето и за малко се поколебах дали да не правя изследванията за докторската си дисертация под неговото ръководство. Предпочетох фагите на Лурия, един дори още по-бърз експериментален субект от Drosophila: направените днес кръстоски на фаги могат да се анализират още утре.

За изследванията ми за докторската дисертация Лурия ме караше да вървя по неговите стъпки, като изучавам как рентгеновите лъчи убиват фагите. В началото се надявах да покажа, че смъртта на вирусите се причинява от увреждане на ДНК на фагите. Но, макар и неохотно, в крайна сметка се наложи да приема, че експерименталният ми подход никога няма да даде недвусмислени отговори на химическо ниво. Можех да правя само биологични заключения. Макар фагите да бяха действително голи гени, аз си дадох сметка, че до дълбоките отговори, които търсеше групата на фагите, може да се стигне само с помощта на най-съвременната химия. ДНК трябваше някак си да превъзмогне статуса си като акроним и да бъде разбрана като молекулярна структура с всичките й химически подробности.

След като привърших докторската си дисертация, не виждах друга алтернатива, освен да се преместя в лаборатория, където ще мога да изучавам химическия строеж на ДНК. За жалост почти не познавах чистата химия и нямаше да бъда на мястото си в лаборатория, където се извършват трудни опити по органична или физикохимия. Затова взех стипендия, която през есента на 1950 година ме отведе в Копенхагенската лаборатория на биохимика Хърман Кълкър. Той изучаваше синтеза на малките молекули, които изграждат ДНК, но аз бързо си дадох сметка, че биохимичният му подход никога няма да помогне да се разбере същината на гените. Всеки ден, който прекарвах в лабораторията му, ме забавяше с още един ден от откриването на начина, по който ДНК пренася генетичната информация.

Въпреки всичко годината, която прекарах в Копенхаген, завърши продуктивно. За да избягам от студената датска пролет, през април и май отидох в зоологическата база в Неапол. През последната си седмица там присъствах на кратка конференция, посветена на методите за дифракция на рентгеновите лъчи с цел определяне триизмерната структура на молекулите. Дифракцията на рентгеновите лъчи е начин за изучаване атомния строеж на всяка молекула, която може да се кристализира. Кристалът се бомбардира с рентгенови лъчи, в резултат на което неговите атоми отскачат и се пръсват. Схемата на разпиляването им дава информация за структурата на молекулата, но използван самостоятелно не е в състояние да определи строежа. Нужната допълнителна информация е тъй наречената „фазова мисия“, отговаряща за вълновите особености на молекулата. Решаването на тази задача не беше лесно и по онова време само най-безстрашните учени се осмеляваха да се заемат с него. В повечето случаи успехът на дифракционния метод се постигаше с относително прости молекули.

Не очаквах кой знае какво от конференцията. Смятах, че от триизмерното разбиране на протеиновия строеж или на ДНК ни делеше повече от едно десетилетие. Разочароващите по-ранни рентгенови снимки навеждаха на мисълта, че ДНК особено, надали би разкрила тайните си чрез рентгеновия подход. И тези резултати не бяха учудващи, защото се очакваше поредиците на ДНК да бъдат различни при различните индивидуални молекули. Неравномерността на повърхностните конфигурации естествено нямаше да позволи на дългите тънки вериги на ДНК да лежат, спретнато наредени една до друга по равномерния повтарящ се начин, необходим за успеха на рентгеновия анализ.

Затова бях колкото изненадан, толкова и щастлив да чуя направеното в последния момент изказване за ДНК от трийсет и четиригодишния англичанин Морис Уилкинс от биофизическата лаборатория в Кингс Колидж. По време на войната физикът Уилкинс работи по проекта „Манхатън“. За него, както и за много от останалите участващи учени, използването на атомната бомба при Хирошима и Нагасаки, според всеобщото мнение кулминацията на цялата им работа, носи огромно разочарование. Дори гради планове да се откаже напълно от науката и да стане художник в Париж, но биологията се намесва. Той също прочита книгата на Шрьодингер и се заема енергично да изследва ДНК посредством дифракцията на рентгеновите лъчи.

Уилкинс показа снимка на модел на рентгенова дифракция, който бе получил неотдавна, и множеството точни отражения навеждаха на мисълта за изключително правилна кристална решетка. Налагаше се заключението, че ДНК има правилен строеж, чието изясняване може би щеше да ни открие природата на гена. Веднага се видях как се премествам в Лондон, за да помогна на Уилкинс да открие строежа. Опитите ми да поговоря с него след конференцията обаче не доведоха до нищо. Единственото, което получих за усилията си, бе декларираната му убеденост, че предстои още много упорита работа.

Докато аз удрях все на камък, в Америка превъзходният химик Лайнъс Полинг съобщи за огромния си триумф: беше открил как точно веригите от аминокиселини (полипептидите) се нагъват в протеините; бе нарекъл структурата α-спирала (алфа спирала). Не беше изненадващо, че именно Полинг осъществи този пробив — той беше научна суперзвезда. Книгата му „Естеството на химичната връзка“ излагаше същината на съвременната химия и се превърна в Библия за химиците на онова време. Полинг е бил вундеркинд. Когато е на девет години, баща му, аптекар в Орегон, пише до местния вестник с молба да му препоръчат нещо за четене за неговия син, добавяйки, че момчето вече е прочело Библията и „Произход на видовете“ на Дарвин. Преждевременната смърт на бащата обаче води до финансов крах за семейството и е забележителен фактът, че Полинг изобщо успява да получи някакво образование.

Веднага щом се върнах в Копенхаген, прочетох за α-спиралата на Полинг. За моя изненада, неговият модел не се базираше върху дедуктивен скок от получените по експериментален начин с рентгенова дифракция факти. Дългият опит на Полинг като структурен химик му бе дал смелост да заключи кой тип спираловидно нагъване би бил най-съвместим с химическите особености на полипептидната верига. Той създава модели, използвайки определен мащаб, на различни части на протеиновата молекула, достигайки до правдоподобни триизмерни схеми. Беше превърнал сложния проблем в нещо като триизмерен пъзел по един едновременно прост и блестящ начин.

Сега въпросът беше дали α-спиралата е правилна, освен че е невероятно красива. Получих отговора само седмица по-късно. Англичанинът сър Лорънс Браг, изобретател на рентгеновата кристалография и лауреат на Нобелова награда за физика за 1915 година, дойде в Копенхаген и сподели развълнувано, че младият му колега, роденият в Австрия Макс Перуц, е използвал изобретателно синтетични полипептиди, за да потвърди правилността на α-спиралата на Полинг. Това бе сладко-горчив триумф за лабораторията „Кавендиш“ на Браг. Предишната година в своя доклад те бяха нахвърляли в най-общи линии възможните спираловидни навивки на полипептидните вериги.

Междувременно Салвадор Лурия ми уреди временно изследователско място в „Кавендиш“. Тази, разположена в Кеймбриджкия университет лаборатория, бе най-известната в научния свят. Тук Ърнест Ръдърфорд бе описал за първи път строежа на атома. Сега тя бе владение на Браг и аз трябваше да работя под ръководството на английския химик Джон Кендрю, който се интересуваше от триизмерния строеж на протеина миоглобин. Лурия ме посъветва да посетя колкото се може по-скоро „Кавендиш“. Тъй като в момента Кендрю беше в Съединените щати, щеше да ме ангажира Макс Перуц. Кендрю и Перуц бяха създали заедно Медицинския изследователски съвет (МИС) за изучаването на строежа на биологичните системи.

Месец по-късно, в Кеймбридж, Перуц ме увери, че ще мога да овладея бързо нужната теория за рентгеновата дифракция и не би трябвало да имам проблеми при сработването си с останалите членове на малобройния състав на МИС. За мое облекчение биологичната ми квалификация не го отблъсна. Нито Лорънс Браг, който дойде за малко от кабинета си, за да ме види.

Бях на двайсет и три години, когато в началото на октомври се върнах в МИС в Кеймбридж. Трябваше да поделям стаята по биохимия с трийсет и петгодишния бивш физик Франсис Крик, работил по време на войната върху магнитните мини за Военноморското министерство. Крик планирал след края на войната да продължи да работи в областта на военните изследвания, но като прочел Шрьодингеровия труд „Какво е животът?“, се преориентирал към биологията. И сега, в „Кавендиш“, изследваше триизмерния строеж на протеините за докторската си дисертация.

Заплетеността на важните проблеми пленявала Крик. Безкрайните му въпроси в ранна детска възраст принудили уморените да му отговарят родители да купят детска енциклопедия с надеждата, че тя ще задоволи неизтощимото му любопитство. Но тя го направила само по-несигурен: споделил със своята майка страха си, че докато порасне, всичко вече ще бъде открито и за него няма да остане какво да прави. Майка му го успокоила (съвсем вярно, както се оказва), че все ще останат едно-две неща, които да осъзнае сам.

Крик беше извънредно сладкодумен и неизменно се превръщаше в център на всяка сбирка. Гръмкият му смях ехтеше неуморно из коридорите на „Кавендиш“. Като теоретик на МИС, той излагаше някое ново свое прозрение поне веднъж месечно и обясняваше последната си идея с най-големи подробности на всеки, който бе готов да го слуша. Сутринта, когато се запознахме, той буквално грейна, като научи, че целта на идването ми в Кеймбридж е да науча достатъчно за кристалографията, за да мога да изследвам строежа на ДНК. Скоро поисках мнението на Крик дали да използвам подхода на Полинг с изграждане на модели, за да достигна директно до структурата. Дали щяха да ни бъдат необходими още години на експериментиране с дифракцията, преди да стане практично да се заемем да строим модели? За да се осведомим по-бързо за състоянието на изследването на строежа на ДНК, Крик покани от Лондон Морис Уилкинс, с когото се бяха сприятелили в края на войната, на обяд през един неделен ден. Така щяхме да научим за осъществения от него прогрес след изказването му в Неапол.

Уилкинс изрази вярата си, че ДНК има спираловидна структура, образувана от увити една около друга няколко вериги свързани помежду си нуклеотиди. Оставаше да бъде установен само броят на веригите. По това време Уилкинс бе склонен да приеме, че те са три, основавайки се на извършените от него измервания на плътността на влакната на ДНК. И смяташе да се заеме с изграждането на модел, когато се натъкна на бариера в лицето на новата придобивка на биофизичното отделение на „Кингс колидж“, Розалинд Франклин.

Завършилата Кеймбридж трийсет и една годишна физикохимичка Франклин беше обладана от работата си професионален учен; единственото, което бе пожелала за двайсет и деветия си рожден ден, бе абонамент за техническото списание в нейната област „Акта кристалографика“. Логична и точна, тя не търпеше хората, които не действаха по този начин. И си падаше по силните сравнения, като веднъж например описа консултанта за докторската си дисертация Роналд Нориш — бъдещ лауреат на Нобелова награда — като „глупав, фанатичен, невъзпитан и тираничен измамник“.

Извън лабораторията беше решителен и смел планинар и, тъй като произхождаше от лондонската върхушка, принадлежеше на едно по-рафинирано общество, за разлика от повечето учени. В края на тежкия работен ден в лабораторията понякога тя сменяше бялата престилка с елегантен вечерен тоалет и изчезваше в мрака.

Непосредствено след завръщането си от четиригодишно кристалографско изследване на графита в Париж, Франклин бе назначена за проекта за ДНК, докато Уилкинс не бе в колежа. За съжаление, двойката скоро се оказа несъвместима. Франклин — директна и съсредоточена върху фактите и Уилкинс — отстъпчив и умозрителен, просто не бяха създадени за съвместна работа. Малко преди той да приеме нашата покана за обяд, двамата бяха имали голям скандал, при който Франклин бе настояла да не се захващат с изграждане на модел, преди да е събрала още факти посредством дифракция. Сега двамата не си говореха и Уилкинс нямаше как да научи докъде е стигнала в работата си преди началото на ноември, за когато бе насрочен отчетът й за лабораторната й работа. Ако искахме, ние с Крик можехме да присъстваме като гости на Уилкинс.

Крик бе възпрепятстван, затова отидох сам и го осведомих после за най-важните според мен послания за кристалинната ДНК. Описах му по памет измерванията на Франклин на кристалографските повторения и водното съдържание. Това насърчи Крик да започне да скицира спираловидни решетки върху лист хартия с обясненията, че новата спираловидна рентгенова теория, до която бе достигнал заедно с Бил Кохран и Владимир Ванд, щеше да позволи дори на мен, бивш орнитолог, да предвидя правилно дифракционните схеми, очаквани от молекулярните модели, които скоро щяхме да започнем да изграждаме в „Кавендиш“.

Веднага щом се върнахме в Кеймбридж, уредих машинната работилница в „Кавендиш“ да изработи модели на фосфорния атом, които щяха да ни трябват за кратки участъци от гръбнака от захарен фосфат, открити в ДНК. Щом ги приготвиха, изпробвахме различните начини, по които тези гръбнаци биха могли да се извият един около друг в центъра на молекулата на ДНК. Тяхната периодично повтаряща се атомна структура щеше да позволи на атомите да се съединяват в постоянна, повтаряща се форма. Следвайки подозренията на Уилкинс, ние се фокусирахме върху триизмерните модели. Когато един от тях ни се стори почти приемлив, Крик се обади на Уилкинс, за да му съобщи, че май сме открили модел на ДНК.

На другия ден Уилкинс и Франклин дойдоха да видят какво сме направили. Заплахата от неочаквана конкуренция за кратко ги обедини около общата им цел. Без да губи време, Франклин обяви основната ни концепция за погрешна. Доколкото си спомнях, в доклада си тя твърдеше, че в кристалинната ДНК почти не присъства вода. Всъщност беше вярно точно обратното. Като новак в кристалографията, бях объркал използваните в доклада термини. В действителност кристалинната ДНК беше богата на вода. Следователно, както отбеляза Франклин, гръбнакът трябваше да бъде от външната страна, а не в центъра, както го бяхме поставили, дори само за да побере всички водни молекули, които бе наблюдавала в своите кристали.

Този злочест ноемврийски ден имаше негативни последствия. Несъгласието на Франклин да се започва изграждането на модели бе потвърдено. Да прави експерименти и да не си играе с детински моделчета на атоми бе начинът, по който тя възнамеряваше да процедира. И не само това; сър Лорънс Браг каза да предадат на двама ни с Крик да устояваме в бъдеще на изкушението да правим модели на ДНК. Така бе решено още по-убедително изследванията върху ДНК да бъдат оставени на лабораторията на „Кингс“, а Кеймбридж да продължава да се фокусира само върху протеините. Нямаше логика двете, финансирани от МИС лаборатории, да си съперничат. Тъй като нямахме други умни идеи, поне за момента, с Крик бяхме принудени да дадем заден ход, макар и неохотно.

Моментът не беше добър да те обрекат да стоиш встрани от изследванията върху ДНК. Лайнъс Полинг писа на Уилкинс с молба да му изпрати копие от схемата на кристалинна ДНК, получена чрез дифракция. Макар Уилкинс да бе отклонил молбата с думите, че се нуждае от още време, за да работи върху нея, Полинг не беше длъжен да зависи само от информацията на „Кингс“. Ако искаше, можеше да започне сериозни изследвания с рентгенови дифракции в Калтек.

Следващата пролет надлежно загърбих ДНК и се заех с разширяване на започнатите преди войната изследвания върху оформения като молив мозаечен вирус по тютюна, използвайки новия мощен рентгенов апарат на „Кавендиш“. Тъй като натоварването при тези опити не беше голямо, разполагах с доста време, което посвещавах на обиколки из различните библиотеки на Кеймбридж. В сградата на факултета по зоология прочетох дисертацията на Ъруин Чаргаф; в нея той описваше откритието си, че в ДНК базите аденин и тимин се срещат в еднакво количество, както и базите гуанин и цитозин. Щом чу за това съотношение едно към едно, Крик изказа предположението, че може би при удвояването на ДНК остатъците от аденин се привличат от тимина и обратно, и евентуално подобно привличане съществува и между гуанина и цитозина. В такъв случай поредиците на „родителските“ вериги (напр. АТГЦ) щяха да се допълват с дъщерните (които в този случай трябваше да бъдат ТАЦГ).

Това си останаха просто предположения до лятото на 1952 година, когато Ъруин Чаргаф се отби в Кеймбридж, на път за Международни конгрес по биохимия в Париж. Чаргаф изрази досадата си, че нито Крик, нито аз не изпитваме нужда да узнаем химическия строеж на четирите бази. Разстрои се дори още повече, когато разбра, че можем просто да се запознаем с въпросния строеж от учебниците, ако ни се наложи. Надявах се, че аргументите на Чаргаф ще се окажат неуместни. Крик обаче се изпълни с желание да направи някой и друг опит в търсене на молекулярните „сандвичи“, които може би се образуваха при смесването в разтвори на аденина и тимина (или гуанина и цитозина). Но експериментите му не го доведоха до резултат.

Лайнъс Полинг също отиде на Международния конгрес по биохимия, където голямата новина бяха последните резултати от групата на фагите. Алфред Хърши и Марта Чейс в Колд Спринг Харбър току-що бяха потвърдили принципа на трансформацията на Ейвъри: наследственият материал наистина беше ДНК! Хърши и Чейс доказаха, че само ДНК на вируса на фагите навлиза в бактериалните клетки; протеиновият им слой оставаше отвън. Вече беше съвсем ясно, че ДНК трябва да бъде разбирана на молекулярно ниво, ако искахме да открием същината на гена. Сега, когато резултатът на Хърши и Чейс бе главна тема на разговорите в научните среди, вече бях убеден, че Полинг щеше да насочи великолепния си интелект и химическа мъдрост към проблема на ДНК.

В началото на 1953 година Полинг действително публикува доклад, скициращ структурата на ДНК. След като го изчетох нервно, разбрах, че той предлага модел от три вериги с гръбнаци от захарен фосфат, образуващи плътна сърцевина. Външно напомняше нашия нескопосан модел отпреди петнайсет месеца. Но вместо да използва положително заредени атоми (например Mg²⁺) за стабилизирането на отрицателно заредените гръбнаци, Полинг правеше неортодоксалното предложение фосфатите да се задържат с водородни връзки. Но на мен, биолога, ми се струваше, че такива водородни връзки изискват изключително киселинни условия, каквито не съществуват в клетките. Втурнах се в близката лаборатория по органична химия на Александър Тод и получих потвърждение на подозрението си. Беше се случило невъзможното. Най-известният, ако не и най-добрият в света химик, бе допуснал химическа грешка. Полинг всъщност беше избил „К“ от ДНК. Обектът на нашите търсения беше дезоксирибонуклеиновата киселина, но предложената от него структура не беше дори киселинна.

Побързах да отида с ръкописа в Лондон, за да информирам Уилкинс и Франклин, които бяха все още в играта. Убедена, че ДНК не е спирала, Франклин не пожела даже да прочете статията и да се разсейва със спираловидните идеи на Полинг, макар да я запознах с доводите на Крик в подкрепа на спиралата. Уилкинс обаче прояви жив интерес към новината, която им занесох; сега бе по-убеден от когато и да било, че ДНК е спирала. В доказателство ми показа снимката, направена преди шест месеца от дипломанта на Франклин, Реймънд Гозлинг, облъчил с рентгенови лъчи тъй наречената „Б форма“ на ДНК. До този момент дори не подозирах за съществуването на въпросната Б форма. Франклин не бе обърнала внимание на тази снимка и бе предпочела да се концентрира върху А формата, защото според нея бе много по-вероятно оттам да получи полезна информация. Полученият чрез рентгена модел на Б формата определено бе кръст. Тъй като някои, включително и Крик, вече бяха достигнали по дедуктивен път до извода, че отражението на спиралата трябва да даде точно такава форма, тази снимка доказваше, че ДНК трябва да е спирала! И това не ме изненадваше, въпреки резервите на Франклин. Самата геометрия навеждаше на мисълта, че спиралата е най-логичното подреждане за една дълга верига от повтарящи се елементи като нуклеотидите на ДНК. Но все още не знаехме нито как изглежда тази спирала, нито колко вериги съдържа.

Беше дошъл моментът да започнем отново да правим спираловидни модели на ДНК. Полинг със сигурност щеше да разбере скоро, че идеята му е погрешна. Подтиквах Уилкинс да не губи време. Но той искаше да изчака планираното за по-късно същата пролет заминаване на Франклин за друга лаборатория. Тя бе решила да се премести, за да избяга от неприятностите в „Кингс“. Беше й наредено преди да си тръгне да престане с по-нататъшната си работа по ДНК и тя вече бе предала на Уилкинс много от дифракционните си образи.

Когато се върнах в Кеймбридж и занесох новината за Б формата на ДНК, и Браг разбра, че няма причини с Крик да избягваме да работим над ДНК. Много му се искаше строежът на ДНК да бъде открит от неговата страна на Атлантика. Затова се върнахме към правенето на модели, търсейки начин, по който известните базови компоненти на ДНК — гръбнакът на молекулата и четирите различни бази аденин, тимин, гуанин и цитозин — могат да си паснат така, че да се образува спирала. Поръчах в работилницата на „Кавендиш“ да ни направят комплект тенекиени бази, но те не ги произведоха достатъчно бързо за моите изисквания. В крайна сметка изрязах приблизителни варианти от твърд картон.

Вече си давах сметка, че доказателствата за плътността на ДНК бяха в полза по-скоро на модела от две, отколкото от три вериги. Затова реших да се съсредоточа върху търсенето на модели с две вериги. Като биолог предпочитах идеята за генетична молекула, съставена от два, а не от три компонента. Все пак хромозомите, както и клетките, се размножават като се удвояват, а не като се утрояват.

Знаех, че предишният ни модел, с намиращия се отвътре гръбнак и висящите отвън бази, беше грешен. Химическите доказателства от Нотингамския университет, на които дълго време не обръщах внимание, навеждаха на мисълта, че базите трябва да имат водородни връзки. Такива връзки можеха да се образуват само по обичайния начин, за който намекваха фактите, получени чрез рентгеновата дифракция — ако се намираха в центъра на молекулата. Но как се събираха по двойки? В продължение на две седмици не стигнах доникъде, заблуден от една грешка в учебника ми за нуклеиновата киселина. За щастие, на 27 февруари химикът теоретик Джери Донахю от Калтек, който посети „Кавендиш“, посочи, че учебникът е сгрешен. Затова промених местоположението на водородните атоми на моите картонени изрезки на молекулите.

На другата сутрин, 28 февруари 1953 година, ключовите компоненти на модела на ДНК си дойдоха по местата. Двете вериги се задържаха от силни водородни връзки между базови двойки аденин-тимин и цитозин-гуанин. Изводите, които Крик бе направил преди една година въз основа на изследванията на Чаргаф, бяха правилни. Аденинът действително се свързва с тимина и гуанинът — с цитозина, но не чрез плоски повърхности, за да образуват молекулярни сандвичи. Когато пристигна, Крик бързо разбра за какво става дума и даде благословията си на моята схема за чифтосване на базите. Осъзна веднага, че при това положение двете вериги на двойната спирала трябва да се движат в противоположни посоки.

Мигът беше незабравим. Бяхме сигурни, че е така. Едно толкова семпло, толкова елегантно нещо не можеше да не е вярно. От всичко най-много ни вълнуваше допълването между базовите последователности по дължината на двете вериги. Ако последователността, редът на базите по едната верига се знаеше, другата автоматично се изясняваше. Веднага ставаше очевидно, че именно така генетичните послания на гените се копират толкова точно, когато хромозомите се удвоят преди деленето на клетката. Молекулата се разделя като цип, за да образува две отделни вериги. После всяка отделна верига служи като шаблон за синтеза на нова верига, едната двойна спирала се превръща в две.

В „Какво е животът?“ Шрьодингер излага предположението, че езикът на живота може би е като морзов код, поредица от точки и тирета. И не беше далеч от истината. Езикът на ДНК е линейна серия от А-та, Т-та, Г-та и Ц-та. И точно така, както при преписването на страница от книга може да се получи от време на време печатна грешка, не е изключена, макар и рядко, грешка и при копирането на всички тези А, Т, Г и Ц по дължината на хромозомите. Именно тези грешки са мутациите, за които генетиците говорят от почти петдесет години. Ако „и“ бъде подменено с „а“, Джим се превръща в джам. Ако Т бъде сменено с Ц, АТГ се превръща в АЦГ в ДНК.

Двойната спирала беше съвсем логична структура както от химическа, така и от биологическа гледна точка. Вече не трябваше да се притесняваме заради предположението на Шрьодингер, че може би ще бъдат необходими нови физически закони, за да се разбере как се дублира наследствената кодирана информация: в действителност гените не се различаваха от останалите химически съединения. По-късно същия ден, докато обядвахме в „Ийгъл“, пъбът, който беше буквално залепен за лабораторията „Кавендиш“, вечно приказливият Крик осведоми всички, че току-що сме открили „тайната на живота“. Лично аз, макар и не по-малко наелектризиран от тази мисъл, бих изчакал, докато разполагаме с хубав триизмерен модел, който да покажем.

Един от първите, които видяха демонстрационния ни модел, беше химикът Александър Тод. Фактът, че природата на гена е толкова проста, едновременно го изненада и му допадна. После обаче явно си бе задал въпроса защо неговата лаборатория, където бе установен общият химически строеж на веригите на ДНК, не бе преминала към следващия въпрос, а именно как се наместваха в триизмерното пространство тези вериги. И същината на молекулата бе оставена да бъде открита от екип от двама души, биолог и физик, нито един от които не владееше в подробности химията, преподавана дори за получаване на бакалавърска степен. Но, колкото и парадоксално да звучи, това именно беше, поне отчасти, ключът към нашия успех: с Крик достигнахме първи до двойната спирала, защото по това време повечето химици смятаха молекулата на ДНК за прекалено голяма, за да бъде разбрана чрез химически анализ.

Същевременно единствените двама химици с достатъчно въображение, за да търсят триизмерен строеж на ДНК, допускаха значителни тактически грешки: Розалинд Франклин се противеше на изграждането на модели, а Лайнъс Полинг пък просто не си правеше труда да изчита съществуващата литература за ДНК, особено фактологията за базовия й състав, публикувана от Чаргаф. По ирония на съдбата, Полинг и Чаргаф прекосиха Атлантика на един и същ кораб, за да посетят Парижкия конгрес на биохимиците през 1952 година, но не успяха да намерят общ език. Полинг беше свикнал от доста време да бъде прав. И вярваше, че не съществува нито един химически проблем, с който да не е в състояние да се справи сам. Обикновено тази му увереност не беше безпочвена. По време на Студената война, като виден критик на американската програма за разработване на атомно оръжие, бе разпитан от ФБР, след като бе изнесъл поредната си реч на тази тема. Откъде знаел колко плутоний има в атомната бомба? Отговорът на Полинг беше следният: „Никой не ми е казвал. Достигнах до този извод сам.“

През следващите няколко месеца Крик и (в по-малка степен) аз показвахме нашия модел с непресъхващ ентусиазъм на безкрайния поток любопитни учени. Кеймбриджките биохимици обаче не ни поканиха на официален публичен разговор в сградата по биохимия. Дори започнаха да говорят за нас като за WC, свързвайки инициалите на фамилните ни имена (Watson, Crick) с инициалите, използвани във Великобритания за обозначаване на тоалетните. Беше им неприятен фактът, че открихме двойната спирала, без да правим опити.

Ръкописът, който изпратихме на „Нейчър“ в началото на април, беше публикуван след повече от три седмици, на 25 април 1953 година. Той беше придружен от два по-дълги доклада от Франклин и Уилкинс, поддържащи правилността на нашия модел. През юни направих първото представяне на нашия модел по време на посветения на вирусите симпозиум в Колд Спринг Харбър. Макс Делбрюк се погрижи да ме поканят в последния момент да говоря. На тази високоинтелектуална среща занесох триизмерен модел, изграден в „Кавендиш“, на който двойките бази аденин-тинин бяха червени, а гуанин-цитозин — зелени.

Сред присъстващите беше и Сеймор Бензър, друг бивш физик, вслушал се в призива на книгата на Шрьодингер. Той разбра веднага какво означава нашият пробив за неговите изследвания върху мутациите на вирусите. Осъзна, че сега би могъл да направи за кратък период с ДНК на бактериофагите това, което момчетата на Морган бяха извършили преди четирийсет години с хромозомите на плодовата мушица: щеше да картира мутациите за даден ген, определяйки реда им, така както пионерите в тази област, занимаващи се с плодовата мушица, бяха картирали гените в една хромозома. И Бензър като Морган щеше да зависи от различните съчетания, за да генерира нови генетични комбинации, но докато Морган имаше предимството на готовия механизъм на рекомбиниране — производството на полови клетки в плодовата мушица — Бензър трябваше да предизвиква рекомбинирането като инфектира една бактериална клетка-приемник едновременно с два различни щама бактериофаги, различаващи се по една или повече мутации в интересуващата го област. В бактериалната клетка от време на време щеше да се осъществява рекомбинация (размяна на частици от молекули) между различните вирусни ДНК молекули, произвеждайки нови пермутации на мутациите — тъй наречените „рекомбинанти“. Само в рамките на една изумително продуктивна година в лабораторията си в университета в Пурдю, Бензър съставя карта на един бактериофаген ген, rll, показвайки как поредица от мутации (грешки в генетичния сценарий) са се наслагвали линейно по вирусовата ДНК. Езикът е лесен и линеен, също като ред от текст на изписана страница.

Реакцията на унгарския физик Лео Сцилард^[1] на лекцията ми в Колд Спринг Харбър не беше така академична. Въпросът му беше: „Можете ли да го патентовате?“ В определен период от живота на Сцилард главният му източник на приходи е общият му патент с Айнщайн; по-късно той опитва без успех да патентова с Енрико Ферми атомния реактор, който създават в Чикагския университет през 1942 година. Но както сега, така и тогава, патенти се дават само за полезни изобретения, а в началото на петдесетте години на XX век никой не можеше да се досети как ДНК би могла да се използва в практиката. Сцилард предложи в такъв случай да си подсигурим авторското право върху нея.

 

 

В пъзела на двойната спирала обаче, все още липсваше една част: идеята ни за разделянето на ДНК като цип при репликацията все още не беше проверена експериментално. Макс Делбрюк например не беше убеден. Макар двойната спирала да му допадаше като модел, той се притесняваше, че „отварянето на ципа“ може да генерира ужасни възли. Пет години по-късно един бивш студент на Полинг, Мат Мезелсън, и не по-малко умният млад човек, посветил се на фагите, Франк Щал, сложиха край на тези опасения като публикуваха резултатите от един-единствен елегантен експеримент.

Бяха се запознали през 1954 година във Военноморската лаборатория по биология в Уудс Хоул, Масачузетс, където изнасях лекции по това време, и се бяха договорили — изпивайки значително количество джин с мартини — да се занимават заедно с наука. Резултатът от тяхното сътрудничество е описан като „един от най-красивите експерименти в биологията“.

Те използват техника на центрофугиране, която им позволява да сортират молекулите според малките разлики в теглото им; в резултат на въртенето по-тежките молекули се отделят по-близо до дъното на епруветката, отколкото по-леките. Тъй като азотните атоми (N) са компонент на ДНК и съществуват в две отделни форми, Мезелсън и Щал успяват да маркират части от ДНК и така да проследят процеса на тяхната репликация в бактериите. Първоначално всички бактерии се отглеждат в среда, съдържаща тежък N, който по такъв начин се инкорпорира в двете вериги на ДНК. От тази среда те вземат образец, преместват го в среда, съдържаща само лек N, така че следващата репликация на ДНК да използва лек N. Ако, както бяхме предсказали ние с Крик, репликацията на ДНК включва разтварянето на двойната спирала като цип, и копирането на всяка верига, получените две „дъщерни“ молекули ДНК при експеримента би трябвало да бъдат хибридни и всяка да се състои от една тежка N верига (веригата шаблон от „родителската“ молекула), и една лека N верига (новопроизведената в новата среда). Центрофугирането, което прилагат Мезелсън и Щал, потвърждава точно тези очаквания. В опитните си епруветки те намират три дискретни ленти, като тежкия-после-лек образец се намира в средата между тежко-тежкия и леко-лекия образец. Репликацията на ДНК се извършва точно както предполага нашият модел.

Биохимическите подробности около репликацията на ДНК бяха анализирани горе-долу по същото време в лабораторията на Артър Корнбърг във Вашингтонския университет в Сейнт Луис. Като разработва нова, „безклетъчна“ система за синтезиране на ДНК, Корнбърг открива един ензим (ДНК полимераза), който свързва компонентите на ДНК и осъществява химическите връзки на гръбнака на ДНК. Ензимният синтез на ДНК на Корнбърг е толкова неочаквано и важно събитие, че през 1959 година получава Нобелова награда за физиология и медицина, по-малко от две години след ключовите експерименти. След обявяването на наградата, Корнбърг е заснет с копие на модела на двойната спирала, който занесох в Колд Спринг Харбър през 1953 година.

Ние с Франсис Крик и Морис Уилкинс получихме нашата Нобелова награда по физиология или медицина едва през 1962 година. Четири години преди това Розалинд Франклин почина от рак на яйчниците трагично млада, едва трийсет и седемгодишна. Междувременно Крик бе станал близък колега и истински приятел с нея. И след двете операции, които така и не успяха да прекратят напредването на рака, Франклин се възстановяваше с Крик и неговата съпруга в Кеймбридж.

Непоклатимо правило на Нобеловия комитет е никога една награда да не се разделя на повече от трима човека. Ако Франклин беше жива, щеше да възникне проблем дали наградата да бъде присъдена на нея или на Морис Уилкинс. Шведите може би щяха да разрешат дилемата, като дадат и на двамата Нобелова награда за химия за същата година. Тя обаче бе присъдена на Макс Перуц и Джон Кендрю, които бяха изяснили триизмерния строеж съответно на хемоглобина и миоглобина.

 

 

Откриването на двойната спирала бе равносилно на погребален звън за витализма. Сериозните учени, дори с религиозни наклонности, осъзнаха, че за пълното разбиране на живота няма да бъде необходимо разкриването на нов природен закон. Животът беше просто въпрос на физически и химически процеси, макар и съвършено организирани физически и химически процеси. Предстоеше да се разбере как именно кодираният чрез ДНК сценарий на живота осъществява работата си. Как разчиташе посланието на молекулите на ДНК молекулярната машинария на клетките? Както ще се разбере от следващата глава, неочакваната сложност на механизма на разчитане доведе до достигането на дълбоки прозрения за произхода на живота.