Двойная спираль

Открытие структуры ДНК было одной из самых сложных, но ключевых задач, над разрешением которых бились биохимики. Когда она наконец поддалась, возникла совершенно новая наука.

В первой половине XX века ученые еще спорили о том, какое вещество несет наследственную информацию. Работы Освальда Эвери и его коллег в 1944 году, а затем опыт Альфреда Херши и Марты Чейз в 1952 году дали убедительные доказательства того, что генетическим материалом служит ДНК. После этого одной из важнейших задач стало определить, как устроена ДНК и каким образом ее структура позволяет хранить наследственную информацию.

Команды соперников

К началу 1950-х гг. строение ДНК искали несколько исследовательских лабораторий. Разобраться с такой крупной и сложной молекулой было весьма нелегко. Наиболее надежным подходом для определения геометрии ДНК сочли использование рентгено-кристаллографии. В Кавендишской лаборатории в Кембридже физик Фрэнсис Крик, после войны занявшийся биологией, объединил усилия с американцем Джеймсом Уотсоном: они попытались создать модель ДНК, используя все имевшиеся свидетельства.

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (ниже) совместно с Морисом Уилкинсом получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1962 г. за открытие строения ДНК

Уотсон и Крик были убеждены, что нашли ответ, когда предложили спираль из трех нитей с нуклеиновыми кислотами с внешней стороны молекулы и отрицательно заряженными фосфатными группами внутри. Но возникла проблема: многочисленные отрицательно заряженные фосфат-ионы в ядре отталкивались бы друг от друга и разорвали бы молекулу.

Ученые предположили, что заряды уравновешиваются положительными ионами кальция или магния, и попросили Мориса Уилкинса и его ассистентку Розалинд Франклин из Королевского колледжа в Лондоне проверить предложенную модель. Франклин обозначила основную проблему: любые положительные ионы в ядре ДНК были бы окружены водой, и это не позволило бы им уравновесить разрушительное воздействие отрицательно заряженных частиц.

РОЗАЛИНД ФРАНКЛИН

Франклин, английский химик и специалист по рентгено-кристаллографии, известна преимущественно своей работой над ДНК. В числе полученных ею вместе с аспирантом Рэймондом Гослингом рентгенодифракционных изображений была фотография 51, ставшая одним из ключевых свидетельств спиральной структуры ДНК. К сожалению, она умерла до того, как была широко признана ее роль в исследованиях ДНК.

Окончательный прорыв

В мае 1952 г. Розалинд Франклин и ее аспирант Рэймонд Гослинг получили знаменитую фотографию 51 — рентгенодифракционное изображение B-формы ДНК, ясно указывавшее на спиральную организацию молекулы. Морис Уилкинс показал фотографию Джеймсу Уотсону. С ее помощью Уотсон и Крик составили новую модель ДНК, о которой и сообщили в следующем году.

Молекула ДНК, как известно сегодня, похожа на веревочную лестницу, скрученную по всей длине. Ступеньки образованы парой нуклеотидов, соединенных водородными связями

Два продольных края спирали, напоминающей веревочную лестницу, образованы чередующимися остатками дезоксирибозы и фосфатными группами. Пары азотистых оснований образуют «ступеньки» лестницы. Их названия — производные от имен четырех азотистых оснований, и каждое из них связывается строго с заданным «партнером»: цитозин — с гуанином, а тимин — с аденином. В модели Уотсона и Крика использовался код, где цитозин, гуанин, тимин и аденин были представлены буквами CGTA. Так, ген — это нить ДНК с уникальной последовательностью оснований. Открытие структуры ДНК стало одним из важнейших событий молекулярной генетики, но все же оставляло и много вопросов. Хотя сегодня о ДНК известно куда больше — как она наследуется и каковы ее функции, — механизмы, которые претворяют код в жизнь, формируют наши тела, до конца не изучены.