Репликация ДНК: двойная спираль расстегивается, как молния, и обе нити копируются
Венгерский физик Лео Сцилард отреагировал на мою лекцию о ДНК, прочитанную в Колд-Спринг-Харборе, не столь академично. Он поинтересовался: «Вы можете это запатентовать?» Некоторое время основным источником доходов Сциларда был полученный совместно с Эйнштейном патент, который Сцилард впоследствии безуспешно пытался повторно заявить вместе с Энрико Ферми, – речь шла о ядерном реакторе, который они совместно сконструировали в 1942 году в Университете Чикаго. Однако как тогда, как и сейчас патенты выдавались лишь на те изобретения, которые имели практическую пользу, а в те времена никто не мог даже помыслить, каким образом можно было бы практически применять ДНК.
Однако в головоломке двойной спирали оставался еще один незавершенный фрагмент: нашу версию о том, что ДНК при репликации расстегивается, как молния, предстояло проверить экспериментально. Например, Максу Дельбрюку версия казалась неубедительной. Сама модель двойной спирали ему нравилась, но он опасался, что при расстегивании по принципу молнии она может спутываться в ужасные узлы. Пять лет спустя эти опасения были развеяны после публикации работы Мэтта Мезельсона, бывшего ученика Лайнуса Полинга, и Франка Шталя, молодого перспективного сотрудника группы «Фейдж». Они опубликовали результаты одного очень красивого эксперимента.
Эксперимент Мезельсона – Шталя
Мэтт Мезельсон и Франк Шталь познакомились летом 1954 года в Лаборатории морской биологии в Вудс Холле, штат Массачусетс, где я в ту пору читал лекции, и – после изрядного количества джина с мартини – условились, что им следует вместе заняться наукой. Результат их сотрудничества был охарактеризован как «самый красивый биологический эксперимент».
Они воспользовались методом центрифугирования и смогли отсортировать молекулы по весу, хотя разница и была минимальной. Благодаря вращению центрифуги сравнительно тяжелые молекулы скапливались на дне пробирки, а более легкие – над ними. Поскольку в состав ДНК входят атомы азота (N) и поскольку есть два изотопа азота – один тяжелее, другой легче, – Мезельсон и Шталь смогли пометить сегменты ДНК и таким образом отследить процесс их репликации у бактерий. Исходно все бактерии выращивались в среде, содержащей тяжелый азот, и, таким образом, его атомы встраивались в обе нити ДНК. Ученые взяли образец этой культуры, перенесли его в среду, содержащую только легкие атомы азота, и при репликации в ДНК стал попадать только легкий азот. Если мы с Криком были правы относительно того, что ДНК при репликации расстегивается, как молния, и обе нити копируются, то две образующиеся в результате «дочерние» молекулы ДНК должны бы были получиться гибридными. В каждой была бы одна нить с тяжелыми атомами азота, послужившая шаблоном и взятая из исходной молекулы, и одна нить с легким азотом (собранная уже в новой среде). Центрифугирование, проведенное Мезельсоном и Шталем, дало именно такой результат. В цен-трифужных пробирках они обнаружили три четких слоя ДНК. Молекулы с сочетанием тяжелых и легких атомов азота расположились посередине; над ними были молекулы только с легким азотом, а под ними – только с тяжелым. Репликация ДНК происходила именно так, как описано в нашей модели.
Примерно в то же время биохимический механизм репликации ДНК анализировали в лаборатории Артура Корнберга в Университете им. Дж. Вашингтона в Сент-Луисе. Разработав новую, «внеклеточную» систему синтеза ДНК, Корнберг открыл особый фермент – ДНК-полимеразу, – скрепляющий элементы ДНК и обеспечивающий образование химических связей в остове ДНК. Выполненный Корнбергом синтез ДНК с использованием фермента ДНК-полимеразы оказался столь неожиданным и важным событием, что уже в 1959 году, менее чем через два года после ключевых экспериментов, Корнберг был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. После объявления о том, что Корнберг стал лауреатом этой премии, он сфотографировался с копией той модели двойной спирали, которую я возил в Колд-Спринг-Харбор в 1953 году.
Артур Корнберг на момент присуждения ему Нобелевской премии
Мэтт Мезельсон с ультрацентрифугой – аппаратом, в котором был проведен «самый красивый биологический эксперимент»
Вошла в роль: Николь Кидман снискала восторженные отзывы за роль Розалинд Франклин в театральной постановке «Фотография 51» компании Уэст-Энд (2015) по одноименной пьесе Анны Циглер (Anna Ziegler). Здесь Кидман рассматривает красивое рентгенографическое изображение, в честь которого и названа пьеса
Лишь в 1962 году Френсис Крик, Морис Уилкинс и я сам получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Розалинд Франклин четырьмя годами ранее безвременно скончалась от рака яичников – ей было всего тридцать семь лет. Незадолго до того они с Криком хорошо сработались и стали настоящими друзьями. После двух онкологических операций, которые так и не остановили рост раковой опухоли, Франклин любила прогуливаться в Кембридже с Криком и его женой Одиль.
В Нобелевском комитете существовало и продолжает соблюдаться строгое правило: никогда не делить одну премию более чем натрое. Если бы Франклин выжила, то возникла бы дилемма, кому присудить часть премии: ей или Морису Уилкинсу. Шведы могли бы решить эту проблему, удостоив в тот год их обоих Нобелевской премии по химии. Однако в данном случае эту премию по химии получили Макс Перуц и Джон Кендрю, выяснившие соответственно объемные структуры гемоглобина и миоглобина.
Меня много критиковали за то, как я охарактеризовал Розалинд Франклин в моей опубликованной в 1968 году книге «Двойная спираль», повествующей о событиях того времени. Хотя Розалинд долгое время отказывалась признавать, что ДНК – это двойная спираль, благодаря ее работе мы получили абсолютно незаменимые научные данные. К счастью, в настоящее время ее заслуги оценены по достоинству, в том числе и с моей стороны, в послесловии к книге «Двойная спираль». Бренда Мэддокс написала о ней душевную биографическую книгу «Розалинд Франклин: темная леди ДНК». Не менее талантливо образ Розалинд воссоздала Николь Кидман, завораживающе сыгравшая ее в пьесе «Фотография 51» (компания Уэст-Энд, 2015). Так называлась одна из фотографий B-формы ДНК, полученных методом рентгеновской дифракции, которые сделал Раймонд Гослинг, аспирант Розалинд (о нем я рассказывал на с. 62). Этот снимок позволял предположить, что молекула имеет спиралевидную форму. Розалинд отложила этот снимок в сторону в мае 1952 года, а Морис Уилкинс показал мне его только в январе 1953 года. Честно говоря, ей он в этом так не признался. Вообще-то вся эта история с ДНК развивалась в духе «рыцарей плаща и кинжала».
