Физик, перевернувший биологию

В истории биологии можно выделить два события, коренным образом изменившие взгляды на живую природу. Первое — публикация «Происхождения видов» Чарльза Дарвина в 1859 году, второе — установление структуры ДНК в 1953 году.

Восьмого июня 2016 года исполняется 100 лет со дня рождения одного из создателей двуспиральной модели ДНК — Фрэнсиса Крика (1916—2004). Он родился в городе Уэстон-Фэвелл (Великобритания) в семье обувного фабриканта. Впрочем, семья была не чужда естествознанию: дед Фрэнсиса Уолтер Дроббидж Крик (1857—1903) занимался палеонтологией, его упоминал в научных публикациях Чарльз Дарвин.

Фрэнсис Крик

В детстве Фрэнсис интересовался разными науками, любил читать научно-популярную литературу. Рядом с домом был небольшой сарай, где Фрэнсис и его дядя оборудовали лабораторию и проводили эксперименты, в основном химические. Увлечение наукой способствовало формированию у мальчика атеистических взглядов: в 12 лет он отказался посещать церковь и молиться.

В 21 год Фрэнсис Крик получил степень бакалавра физики в Университетском колледже Лондона. Чтобы заслужить докторскую степень, он начал исследования вязкости воды при высоких температурах, хотя эта тема казалась ему не слишком увлекательной. Карьеру будущего физика прервала Вторая мировая война, во время которой он работал в научно-исследовательской лаборатории военно-морского флота Великобритании над созданием новых акустических и магнитных мин.

После войны он увлекся биологическими проблемами. Этому в немалой степени способствовала книга одного из основоположников квантовой механики Эрвина Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Крику очень понравилась идея Шредингера о том, что основой жизни, носителем наследственной информации должны быть «одномерные апериодические кристаллы» — биологические полимеры, состоящие из различных мономеров, и он решил заняться изучением этих кристаллов.

В 1949 году Фрэнсис Крик поступил в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, где в то время исследовали сложные молекулы методом рентгеноструктурного анализа. Этот метод позволял точно определить взаимное положение участков молекул в пространстве, однако очень крупные молекулы требовали использования сложного математического аппарата и громоздких расчетов.

Еще до Второй мировой войны сотрудники этой лаборатории Макс Перутц (1914—2002) и Джон Кендрю (1917—1997) начали исследования пространственных структур белков гемоглобина и миоглобина. Фрэнсис Крик работал с ними, однако вскоре его заинтересовала дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК. К исследованиям ДНК подключился и приехавший Кембридж молодой американец Джеймс Уотсон (р. 1928).

В начале 1940-х годов были получены веские свидетельства в пользу того, что ДНК имеет отношение к наследственности. Так, уже довольно давно было известно, что если добавить мертвых бактерий в культуру к живым, то у живых бактерий появляются некоторые качества, характерные для погибших. Естественно было предположить, что за передачу признаков отвечают какие-то вещества. Американские исследователи Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти попытались понять, какие именно: они выделяли из бактерий различные компоненты и добавляли в культуру только их. По всей видимости, сперва они предполагали, что за передачу наследственных свойств отвечают белки. Но белки не вызывали ожидаемого эффекта, зато его вызвала ДНК бактерий.

Нуклеиновые кислоты открыл в 1869 году швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер (1844—1895). Благодаря работам Альбрехта Косселя (1853—1927), выполненным в конце XIX века, стало понятным, что в состав нуклеиновых кислот входят какой-то сахар, фосфат и некоторые азотсодержащие органические вещества. В дальнейшем было показано, что существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК), которые окрашиваются разными красителями. Изначально считалось, что первая из них содержится только в клетках животных, а вторая — только в клетках растений, однако затем выяснилось, что и у животных, и у растений есть обе нуклеиновые кислоты. Было установлено, что сахар в составе РНК — это рибоза, а в ДНК содержится дезоксирибоза — сахар, в котором на одну ОН-группу меньше. Кроме того, в РНК есть четыре азотсодержащих соединения (азотистых основания): аденин, урацил, гуанин и цитозин (А, У, Г, Ц). Три из них — А, Г, Ц— входят ив состав ДНК, а урацил в ней заменен тимином (Т).

Окрашивание животных и растительных клеток разными красителями показало, что ДНК содержится почти исключительно в ядре, а РНК — главным образом в цитоплазме.

О функциях ДНК и РНК ничего не знали до начала 1940-х годов. Однако в 1940 году бельгийский биолог Жан Браше (1909—1998) показал, что чем активнее в тех или иных клетках идет белковый синтез, тем больше в ней РНК. Получалось, что РНК имеет какое-то отношение к синтезу белка, тогда как ДНК, согласно результатам Эвери, Маклеода и Маккарти, — к наследственности. После этого нуклеиновые кислоты, на которые раньше обращали не слишком много внимания, стали вызывать большой интерес.

В конце 1940-х годов Эрвин Чаргафф (1905—2002) показал, что при разложении самых разных образцов ДНК образуется столько же молей тимина, сколько и аденина, а количество молей цитозина равно количеству молей гуанина. Однако соотношение тимина и цитозина в ДНК разных организмов неодинаково. Установленные им закономерности получили название «правила Чаргаффа».

Помимо этого открытия Чаргафф прославился афоризмом: «Уровень развития общества определяется тремя составляющими: отношением к деревьям; отношением к детям; отношением к родному языку». К сожалению, в дальнейшем он отказался признать представления о роли ДНК в наследственности. В книге «Амфисбена», вышедшей в 1962 году, он язвительно критиковал молекулярную биологию и всеобщее увлечение ДНК: «Молекулярная биология — по сути, биохимия, практикующая без лицензии», — писал он. Отрывки из этой книги публиковались в редактируемом Т.Д. Лысенко журнале «Агробиология».

В 1951 году Фрэнсис Крик начал работать над расшифровкой пространственной структуры ДНК. Вскоре к работе подключился молодой исследователь из США Джеймс Уотсон. В дальнейшем он написал книгу «Двойная спираль», в которой рассказал об истории расшифровки структуры ДНК.

Структура ДНК

Первые картины дифракции на образцах ДНК получил еще в 1938 году Уильям Астбери (1898—1961). На основании их анализа он сделал вывод, что азотистые основания в ДНК расположены стопками друг над другом и расстояние между соседними основаниями постоянно. Но это был лишь первый шаг.

Фактическим материалом для расшифровки стали рентгенограммы, сделанные в Королевском колледже Лондонского университета, в отделении биофизики, которым руководил сэр Джон Рэндалл. Знаменитую «фотографию 51», полученную молодой исследовательницей Розалиндой Франклин (1920—1958), Джеймсу Уотсону показал Морис Уилкинс (1916—2004) — он был в хороших отношениях с Уотсоном и Криком и делился с ними полученными данными. С другой стороны, кажется весьма вероятным, что натянутые отношения между Уилкинсом и Франклин были одной из причин того, что Уотсон и Крик смогли их опередить, предложив верную интерпретацию.

Дифракционные данные указывали на то, что ДНК имеет спиральную структуру, но другие особенности строения пока оставались непонятными. В то время строение простых молекул можно было определить по рентгенограммам автоматически с помощью расчетов. Однако молекула ДНК слишком сложна, поэтому пришлось идти другим путем: выдвигать разные гипотезы о том, как она устроена, вычислять рентгенограммы, которые могла бы дать гипотетическая структура, и затем сравнивать рассчитанные рентгенограммы с реальными. Строение ДНК нужно было сначала угадать, а потом проверить, насколько правильна догадка. Гипотезы в буквальном смысле строили — главным инструментом была большая модель, в которой роль атомов играли разноцветные шарики, а роль ковалентных связей между ними — жесткие металлические спицы.

Итак, Уотсону и Крику было известно, что молекула ДНК — это спираль и что, согласно «правилу Чаргаффа», аденинов в ней должно быть поровну с тиминами, а гуанинов — с цитозинами. Имелись также некоторые общехимические соображения: например, гидрофильные фосфаты, скорее всего, находятся снаружи молекулы, существующей в водном растворе, а гидрофобные азотистые основания — внутри. Этого не учел знаменитый американский химик Лайнус Полинг (1901—1994), незадолго до этого установивший структуру альфа-спирали белка. В предложенной им модели, оказавшейся ошибочной, и не только по этой причине, азотистые основания торчали наружу.

В конце 1952 года Фрэнсис Крик задумался о возможности образования нековалентных водородных связей между двумя азотистыми основаниями. Он попросил знакомого химика-теоретика Джона Гриффита рассчитать энергию этих связей, отражающую их прочность. Из расчетов получилось, что наиболее прочные водородные связи образуются между аденином и тимином, а также между гуанином и цитозином. Все было готово для решающего шага.

Идея о том, как может быть устроена ДНК, пришла в голову Джеймсу Уотсону 28 февраля 1953 года. Из этой идеи стало принципиально понятно, каким образом ДНК может самокопироваться и воспроизводить свою структуру из поколения в поколение. Проверка показала, что расчетные рентгенограммы такой модели совпадают с реальными.

Девятнадцатого марта 1953 года Фрэнсис Крик написал своему двенадцатилетнему сыну:

Письмо сыну о «самом важном открытии»

Дорогой Майкл,

Джим Уотсон и я, возможно, сделали самое важное открытие. Мы построили модель структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (прочти это внимательно), которая называется Д.Н.К. Может быть, ты помнишь, что гены в хромосомах — которые содержат факторы наследственности — состоят из белков и Д.Н.К. Наша структура очень красива…

Теперь мы полагаем, что Д.Н.К. — это код, то есть порядок оснований (букв) отличает один ген от другого (точно так же, как отличаются одна от другой страницы печатного текста)…

Иными словами, мы думаем, что открыли основной механизм копирования, с помощью которого живое происходит от живого. Как ты понимаешь, мы очень взволнованы. Прочитай это внимательно, чтобы понять. Когда ты приедешь домой, мы покажем тебе модель.

С любовью,
папа.

В 2013 году это письмо было продано коллекционеру за шесть миллионов долларов.

Двадцать пятого апреля 1953 года короткая статья Уотсона и Крика появилась в журнале «Nature». Она перевернула существовавшие представления о том, как устроена жизнь. В 1962 году Джеймсу Уотсону, Фрэнсису Крику, а также Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. Розалинды Франклин, получившей рентгенограммы ДНК, к тому времени уже не было в живых.

Итак, по Уотсону и Крику ДНК — это полимер, состоящий из двух цепей, соединенных множеством водородных связей. Эти связи образуются между азотистыми основаниями, причем аденин всегда связан с тимином, а гуанин с цитозином. Подобная структура делала понятным механизм самокопирования ДНК: последовательность азотистых оснований (первичная структура) одной цепи однозначно определяет первичную структуру другой, и, если разделить цепи, к каждой из них можно будет «пристроить» новую, ставя А против Т, Т против А, Г против Ц и Ц против Г.

В конце 1953 года Крик и Уотсон публикуют еще одну статью в «Nature», где высказывают мнение о том, что в последовательности азотистых оснований в молекулах ДНК закодированы последовательности аминокислот в белках — и тем самым все наследственные признаки живых организмов.

В 1954 году Фрэнсис Крик наконец завершил работу над докторской диссертацией и защитил ее. К нуклеиновым кислотам она никакого отношения не имела и называлась «Дифракция рентгеновских лучей: полипептиды и белки». После этого он полностью переключился на молекулярно-биологическую тематику.

Главная проблема, которая интересовала его теперь, — проблема генетического кода. А именно два вопроса:

— какие последовательности нуклеотидов соответствуют каким аминокислотам?

— какие механизмы отвечают за превращение последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот?

Если бы каждому нуклеотиду соответствовала одна аминокислота, белки могли бы содержать только четыре аминокислоты. Двухбуквенных последовательностей из четырех букв — А, Т, Г, Ц, — как нетрудно подсчитать, можно составить 16, трехбуквенных — 64. К тому времени было известно, что в белках встречается 20 разных аминокислот, а значит, двухбуквенный код не подойдет, одну аминокислоту должна кодировать последовательность не менее чем из трех азотистых оснований. (При этом одну и ту же аминокислоту могут кодировать несколько разных тринуклеотидов, как и оказалось впоследствии.) Этот вывод был самоочевиден.

Но неочевидным было многое другое. Например, перекрывается ли код? Иначе говоря, последовательность АТЦЦТГ состоит из двух «кодовых слов» — АТЦ и ЦТГ или, например, из четырех — АТЦ, ТЦЦ, ЦЦТ и ЦТГ?

Ответить на этот вопрос помогли эксперименты с использованием веществ, вызывающих выпадения или вставки одного нуклеотида. Если код перекрывается, то выпадение или вставка одной «буквы» не очень сильно изменит последовательность аминокислот в белке — всего три соседних аминокислоты исчезнут или добавятся, и такой белок будет работать почти нормально. Если же код не перекрывается, то выпадение только одного нуклеотида в начале участка, кодирующего белок, изменит всю последовательность аминокислот из-за так называемого сдвига рамки считывания и работать такой белок не будет.

Такие эксперименты Фрэнсис Крик провел вместе с Сиднеем Бреннером (р. 1927) на вирусе бактерий — бактериофаге Т4. Оказалось, что при вставке или выпадении даже одного нуклеотида (мономера ДНК) белки бактериофага T4 портятся. Значит, код не перекрывается!

Перекрывающийся, частично перекрывающийся и неперекрывающийся код (из статьи Фрэнсиса Крика 1958 года «On protein synthesis»)

Крик и Бреннер подтвердили также, что одну аминокислоту кодируют именно три нуклеотида. Идея эксперимента заключалась в том, что если в ген вставлен один нуклеотид, то белок будет нефункциональным, и если неподалеку друг от друга будут две вставки — тоже. Но если рядом три вставки, то белок, кодируемый таким геном, окажется активным, потому что сдвиг рамки считывания будет скомпенсирован, а значит, восстановится последовательность аминокислот в белке.

Верными оказывались и другие блестящие предположения Фрэнсиса Крика. В 1956 году, размышляя над тем, какие механизмы могут обеспечить генетическое кодирование структуры белка, он выдвинул гипотезу о существовании «адапторов» — маленьких молекул нуклеиновых кислот. Каждая из адапторных молекул, с одной стороны, может переносить строго определенную аминокислоту, а с другой стороны, имеет участок, способный связываться с кодирующей белок нуклеиновой кислотой по тому же правилу, что и цепи ДНК между собой. Молекулы с такими свойствами были открыты и получили название «транспортные РНК» (тРНК). А белково-рибонуклеиновые комплексы, которые, по Крику, должны катализировать сборку новых белков, вскоре получили название «рибосомы».

В 1960-х годах исследователям удалось расшифровать генетический код — выяснить, какая именно тройка нуклеотидов какую аминокислоту кодирует. Но в этой работе Крик участия не принимал.

В 1958 году Фрэнсис Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии, согласно которой перенос информации в клетке происходит только в одном направлении: от ДНК к РНК и от РНК к белку. В дальнейшем был обнаружен перенос информации от РНК к ДНК, но по большому счету центральная догма остается справедливой. Перенос информации от белков к нуклеиновым кислотам невозможен: что бы ни происходило с белками, на ДНК это повлиять не может.

Еще позднее мы узнали про метилирование ДНК — присоединение метильных групп к азотистым основаниям, которое позволяет сохранить память о режиме активности генов в прошлом и даже передавать ее следующим поколениям при клеточном делении. Но это уже другая история.

Таким образом, Фрэнсис Крик сыграл очень важную роль на ранних этапах формирования наших представлений о молекулярных основах наследственности. Однако позднее его интересы переместились в другие сферы.

В начале 1970-х годов Фрэнсис Крик и Лесли Оргел (1927-2007) опубликовали ряд очень интересных работ, посвященных проблеме происхождения жизни. В этих работах они убедительно показали, что количество информации, содержащейся даже в простейших биологических системах, столь велико, что их формирование путем перебора всех возможных вариантов за сколько-нибудь разумный промежуток времени совершенно невероятно. К аналогичным выводам приходили и другие ученые. Крик и Оргел очень четко и остро сформулировали проблему, но не смогли предложить каких-то разумных подходов к ее решению. (О современных подходах см., например, №2 «Химии и жизни» за 2013 год и другие статьи рубрики «Биогенез».)

Фрэнсис Крик предполагал, что жизнь не возникла на Земле, а была занесена откуда-то из далекого космоса, возможно, на космических кораблях. Свою точку зрения он аргументировал, в частности, наличием в живых организмах редкого на Земле и в Солнечной системе молибдена и практическим отсутствием в них более распространенного хрома. К тому времени астрономам были известны звезды, где молибдена было достаточно много. Оттуда, как предполагал Крик, и была занесена на нашу планету жизнь.

Еще в молодости Фрэнсис Крик интересовался и другим научным направлением — исследованием механизмов психической деятельности. В возрасте, когда человеку приходит срок подумать о душе, эти исследования стали для него главным делом.

В 1980 году он знакомится с молодым американским исследователем Кристофом Кохом (р. 1956), увлекающимся изучением механизмов сознания. Кох был оригинального вида молодым человеком, ходил на службу в старых джинсах и шокировал окружающих завиральными идеями. Респектабельные коллеги смотрели на него с некоторым удивлением и от всей души рекомендовали заняться каким-нибудь более солидным делом, а изучение механизмов сознания отложить до выхода на пенсию. Но Кох этим советам не последовал. Наверное, именно поэтому 30 лет спустя президент США Барак Обама и поручил ему возглавить Национальную программу по исследованию мозга. Знакомство с Кохом вдохновило Фрэнсиса Крика на то, чтобы оставить молекулярную биологию и переключиться на нейробиологию.

Сходная ситуация показана, как мы помним, в советском фильме «Монолог». К престарелому академику Сретенскому (его играет Михаил Глузский) приходит молодой человек (его роль исполняет Станислав Любшин), предлагает бросить наезженную колею, занявшись исследованиями в принципиально новом направлении, и академик начинает новую жизнь... Такое случается не только в кино: многие выдающиеся исследователи в зрелом возрасте меняли тематику исследований, подчас берясь за задачи, явно неподъемные на данном этапе развития науки. Так Альберт Эйнштейн взялся за создание единой теории поля, а один из отцов советской водородной бомбы Олег Александрович Лаврентьев (1926—2011) — за исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Возможно, занимаясь более реальными задачами, они бы больше сделали для науки. Но гении живут по своим законам, на то они и гении. Фрэнсис Крик и Кристоф Кох предложили немало интересных идей, большая часть которых остается в наше время недоказанной. Но самое главное, что благодаря авторитету Крика изучение сознания естественно-научными методами получило в науке право гражданства.

Завершая разговор о нейрофизиологическом этапе научной биографии Фрэнсиса Крика, следует отметить, что многие специалисты-нейрофизиологи относятся к его работам неоднозначно.

Фрэнсис Крик не слишком любил кропотливый труд в лаборатории. Главным и наиболее эффективным методом его работы были неформальные дискуссии с коллегами, которые могли продолжаться часами. В этих дискуссиях осмысливались научные результаты, рождались новые идеи и предлагались способы их проверки, короче — создавалась наука. Хотя такой стиль работы, казалось бы, подтверждал популярную в нашем отечестве точку зрения, согласно которой большинство научных работников — бездельники, которые только и делают, что пьют чаи в рабочее время. Обладая незаурядным литературным талантом, Крик написал несколько очень ярких научно-популярных книг. Жаль, что большая их часть до сих пор не переведена на русский язык.

Крик был убежденным атеистом, резко отрицательно относился к христианству. Он решительно критиковал обязательное религиозное воспитание в школах Великобритании. «Про христианство можно говорить в приватной беседе со взрослыми людьми, но не нужно этому учить маленьких детей», — шутил он. Для нашей страны сегодня эта фраза в высшей степени актуальна. При этом Крик хорошо понимал, что религия удовлетворяет каким-то потребностям людей, по крайней мере людей определенного типа, и даже пытался это как-то объяснить, исходя из своих представлений о работе мозга. Он предлагал британскому правительству сделать день рождения Чарльза Дарвина, 12 февраля, национальным праздником — Днем науки; но предложение не было принято.

Умер Фрэнсис Крик от рака в больнице калифорнийского города Сан-Диего 28 июля 2004 года. Согласно завещанию, прах великого молекулярного биолога был развеян над Тихим океаном.

Кандидат биологических наук
С.В. Багоцкий