Но то, как аминокислоты соединяются, чтобы сформировать протеины, оказалось не так легко объяснить. Именно в этом месте к проблеме подключились физики, и вышло так, что найти ответ помогли рентгеновские лучи.
Сначала нужно было создать кристалл протеина, который вы хотите изучать, затем вы облучали его рентгеном. По мере прохождения через кристалл лучи изгибались или отражались по определенному шаблону, известному как дифракционная модель.
Модель можно зафиксировать на фотографической пластинке.
Изучение моделей, запечатленных на фотографиях, дело довольно-таки мутное. Вашим глазам предстает запутанная картина из огромного количества точек и полос, вы смотрите на двумерное изображение, но должны представлять трехмерное изображение, и простое использование стереоскопических очков тут не поможет.
Но помимо способности визуализовать картинку вы должны быть в состоянии понять, что все это значит с точки зрения химии и как соединяются разные элементы. Плюс неплохо разбираться в математике.
Человеком, сумевшим одолеть все трудности, стала химик Дороти Ходжкин (1910–1994), работавшая в Оксфорде. Мы частично обязаны ее исследованиям в рентгеновской кристаллографии тем, что знаем о структуре пенициллина, инсулина и витамина B12. Нобелевскую премию она получила в 1964-м.
Лайнус Полинг (1901–1994) оказался ничуть не хуже в использовании рентгеновских лучей для исследования структуры сложных химических соединений. Блестящей серией экспериментов он и его коллеги сумели показать, что если в молекуле гемоглобина из нашей клетки крови отсутствует всего одна аминокислота, то это вызывает серьезную болезнь, серповидно-клеточную анемию (обычно круглая, в этом случае красная клетка крови, содержащая этот гемоглобин, больше напоминает серп). Подобный молекулярный изъян большей частью находили в Африке, где малярия всегда показывала себя. Сейчас доказано, что он приносил пользу, делая людей с такими клетками устойчивыми к наиболее серьезным формам малярии.
Это пример того, как идет эволюция человека.
Люди только с одной такой наследственной чертой (единственным геном, унаследованным точно так же, как горошины Менделя наследовали цвет) умеренно анемичны, но более устойчивы к малярии. Индивидуумы, наследующие эту черту с двух сторон, от обоих родителей, обычно страдают серьезной анемией. Симптомы серповидно-клеточной анемии были диагностированы в начале двадцатого века, и пятьюдесятью годами позже Полинг использовал последние достижения молекулярной биологии, чтобы понять, что ее вызывает, и его исследования открыли новую эпоху в медицине, молекулярную медицину.
После успеха с протеинами Полинг почти разобрался и с главной проблемой: раскрыл молекулярную структуру генов. Его эксперименты с рентгеном показали, что многие протеины вроде тех, что формируют ваши волосы или мускулы или переносят кислород в молекуле гемоглобина, имеют особую форму, они скручены в спираль.
В начале 50-х годов многие ученые предполагали, что гены состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты, более известной как ДНК (это и произнести легче). ДНК была открыта в 1869 году, но потребовалось много времени, чтобы разобраться, на что она похожа и какие функции выполняет.
В 1952 году Полинг предположил, что ДНК – очень длинная, свернутая молекула из трех нитей, завернутых вокруг друг друга, так называемая тройная спираль.
В то время как Полинг работал в Калифорнии, две группы ученых наступали ему на пятки в Англии. Физик Морис Уилкинс (1916–2004) и химик Розалинд Франклин (1920-58) из Королевского колледжа в Лондоне занялись молекулярной биологией. Франклин стала отличным специалистом в изготовлении и расшифровке рентгеновских снимков. В Кембридже молодой американец Джеймс Уотсон (род. 1928) оставил свои занятия орнитологией (изучение птиц) и стал работать вместе с Френсисом Криком (1916–2004). Крик изучал физику и работал в качестве физика на Адмиралтейство во время Второй мировой, но затем он вернулся в университет и на этот раз стал биологом.
Уотсон и Крик смогли превратиться в одну из самых эффективных команд в истории науки.
Они знали, что ДНК находится в хромосомах ядра, тех самых компонентах клетки, которые Морган изучал тридцатью годами ранее. Они сделали вырезки из бумаги и начали клеить модели, пытаясь разобраться, как может выглядеть структура ДНК. Большую пользу они сумели извлечь из сделанных Франклин рентгеновских снимков.
В 1953 году они придумали модель, удовлетворявшую всем экспериментальным данным. Радостно признали ее «правильной» и отправились праздновать в бар, где объявили, что им удалось раскрыть «секрет жизни».
Но если даже другие посетители того бара не очень понимали, о чем идет речь, то читатели научного еженедельника «Nature» вскоре получили полную информацию. Уотсон и Крик опубликовали статью о своих находках в номере от 25 апреля 1953 года, и в нее вошла работа лондонской команды Уилкинса и Франклин.
Но именно Крик и Уотсон показали, что ДНК состоит из двух изогнутых ниточек, а не из трех, как думал Полинг. Нити соединялись между собой «ступеньками», так что получалось нечто вроде длинной веревочной лестницы, завернутой в спираль. Опоры лестницы представляют собой углеводы, каждая перекладина сделана из пары молекул: либо аденин и тимин, либо цитозин и гуанин.
Их обычно именуют «базовыми парами» молекул.
Но хорошо, пусть есть структура, но как она объясняет пресловутый «секрет жизни»?
Базовые пары скреплены посредством водородных связей, когда клетка делится, спираль разворачивается, и выглядит это так, словно расстегивается застежка-молния. Оставшиеся половинки представляют шаблоны двух идентичных цепей, произведенных клеткой. Уотсон и Крик показали, как гены могут передаваться от родителя отпрыску и как дочерняя клетка получает тот же набор генов, какой был у оригинальной материнской клетки. Схема выглядела простой и элегантной, и она немедленно стала общепринятой.
В 1962 году, когда научное сообщество окончательно приняло структуру и роль ДНК. Крик. Уотсон и Уилкинс разделили Нобелевскую премию. Только они трое. Розалинд Франклин не проигнорировали, просто она умерла от рака яичников в 1958 году.
Френсис Крик продолжил, наряду с другими, изучать то, почему гены настолько важны для живых организмов, ну помимо того, что они передают нашу наследственность. Обычная повседневная активность генов заключается в том, что они изготавливают протеины.
«Генетический код» состоит из трех расположенных рядом перекладин упомянутой лестницы, и каждая троица перекладин (кодон) отвечает за одну аминокислоту. Крик показал, как маленькие отрезки молекулы ДНК обеспечивают кодировку аминокислот, создающих такие протеины, как гемоглобин или инсулин. Генетики сообразили, что порядок базовых пар в молекуле ДНК имеет критическое значение, поскольку он определяет, какие аминокислоты будут встроены в протеины.
Протеины – сложные молекулы, иногда с дюжинами аминокислот внутри, и длинная последовательность ДНК требуется, чтобы изготовить такой протеин.
