Повести анализ такой сложной структуры, как ДНК, состоящей из множества различных типов атомов, чрезвычайно трудно. Но с менее сложными кристаллами работать проще, и вскоре с помощью этого метода было, например, установлено, что кристаллы хлорида натрия (пищевой соли, NaCl) состоят не из отдельных молекул NaCl, но из трехмерной решетки атомов натрия (Na) и хлора (Cl), регулярно чередующихся друг с другом. Свои исследования Брэгги описали в книге «Рентгеновские лучи и строение кристаллов» (X-rays and Crystal Structure), изданной в 1915 г., когда Лоуренс служил в британской армии во Франции. В том же году они с отцом получили Нобелевскую премию по физике «за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей». На тот момент Лоуренсу было всего 25 лет, и он стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике за всю историю премии. В своей нобелевской лекции он сказал:
Изучение кристаллической структуры с помощью рентгеновских лучей впервые дало нам представление о подлинной организации атомов в твердых телах… Кажется, вряд ли есть такой тип материи, находящейся в состоянии твердого тела, который бы мы не могли попытаться проанализировать с помощью рентгеновского излучения. Нам впервые стало известно точное расположение атомов в твердых телах; мы можем увидеть, на каком расстоянии друг от друга расположены эти атомы и как они сгруппированы.
Именно благодаря этому открытию несколько десятков лет спустя будет изучено строение белков и ДНК. Но сперва надо было установить центральную роль ДНК в процессе наследования признаков, а это начало происходить только в конце 1920-х гг.
Следующим шагом стали эксперименты, которые опять позволили наблюдать за более быстрыми изменениями. Горох Менделя давал только одно поколение в год, что ограничивало его полезность в изучении наследственности. Дрозофилы Моргана давали потомство каждые две недели. В 1928 г. Фредерик Гриффит (1879–1941), английский врач, работавший на Министерство здравоохранения Великобритании в Лондоне, начал работать с бактериями, изменения в которых ученые могли наблюдать в пределах нескольких часов; это также позволило биологам приблизиться к пониманию того, какие молекулы играют ключевую роль в механизме наследственности. Гриффита в первую очередь интересовала не наследственность; он изучал бактерии как возбудителей болезней, а не как модельный объект в области генетики. Но параллельно он сделал открытие, которое оказалось важнейшим для понимания эволюции.
Эпидемия испанки 1918–1920 гг. унесла жизни порядка 50 млн человек — больше, чем погибло на полях сражений Первой мировой войны. После нее правительства многих стран расширили свои программы по исследованию инфекционных заболеваний. Гриффит сконцентрировался на изучении пневмококков (это группа бактерий, вызывающих пневмонию), чтобы разработать вакцину от пневмонии. В начале 1920-х гг. он начал работать с двумя штаммами пневмококков, которые оказывали очень разное воздействие на мышей. Бактерии одного штамма были покрыты гладкой оболочкой из полисахарида, которая придавала их культуре глянцевый вид. Этот штамм назвали «гладким» или S (от англ. smooth). У другого штамма не было такой оболочки, и его колонии выглядели шероховатыми и морщинистыми. Этот штамм назвали «морщинистым» или R (от англ. rough). Штамм S очень активен и вызывает тяжелую форму инфекции, а штамм R малоактивен и вызывает лишь легкое протекание болезни (существует еще третий штамм пневмококков, но Гриффит его не использовал). До Гриффита бактериологи считали, что каждый из трех штаммов пневмококков абсолютно автономен и обладает свойствами, которые не меняются из поколения в поколение. Гриффит знал, что в теле человека (или мыши), пораженном пневмонией, могут одновременно присутствовать разные — смертельные и не смертельные — штаммы пневмококков, и провел эксперименты, чтобы выяснить, как это может повлиять на перспективы разработки вакцины.
Когда организм заражается морщинистым штаммом пневмококка, иммунная система легко распознает бактерии как захватчиков и уничтожает их, прежде чем они успевают причинить серьезный вред. Оболочка гладкого штамма действует как камуфляж, который прячет бактерии от иммунной системы, поэтому они беспрепятственно размножаются и провоцируют тяжелое заболевание и даже смерть. Гриффит продемонстрировал, что зараженные морщинистым штаммом мыши выживали, а мыши, зараженные гладким, погибали. Затем он ввел мышам бактерии штамма S, которые были убиты при помощи тепловой обработки. Мыши выжили, но после этого Гриффит получил поразительный результат, о котором он сообщил в январе 1928 г.
В следующей серии экспериментов Гриффит смешал безвредные мертвые гладкие бактерии с безвредными живыми морщинистыми бактериями и ввел их мышам. Все мыши погибли. Ни одна из этих форм бактерий не могла убить организм, но их смесь оказалась смертельной. Когда он извлек образцы тканей из мертвых мышей, он обнаружил, что они кишат живыми гладкими пневмококками. По выражению Гриффита, живые морщинистые бактерии «трансформировались» в живые гладкие бактерии. Он объяснил это тем, что некий трансформирующий фактор — сегодня мы называем его генетическим материалом — передался от мертвых гладких бактерий живым морщинистым бактериям, за счет чего они «научились» синтезировать гладкую оболочку. В ходе дальнейших экспериментов бактерии после трансформации в мышах переносились в лабораторную посуду; «новые» гладкие бактерии размножались там и образовывали культуру гладких бактерий, несмотря на то, что являлись потомками трансформированных морщинистых бактерий. Как Гриффит писал в статье, в которой он объявил об этом открытии, «штамм R… превратился в штамм S». Но Гриффит не знал, за счет каких молекул происходило это превращение. Это выяснилось только в 1944 г. в результате новых экспериментов, которые провели ученые, вдохновленные наблюдениями Гриффита[48]. К тому времени кристаллография уже начала рассказывать о строении важных биологических молекул.
В 1930-е гг. все еще считалось, что носителями наследственной информации являются белки, и они стали первыми биомолекулами, которые исследовали при помощи рентгеновской кристаллографии. Кристаллография в итоге показала, что ключевой особенностью этих длинных цепочек из аминокислот является то, каким образом они сворачиваются в сложные трехмерные структуры, которые определяют их биологические свойства.
Первые шаги в этом направлении сделали Джон Бернал (1901–1971) и его коллеги по Кембриджу в 1934 г. Бернал, который в 1920-х гг. работал с Уильямом Брэггом, начал с применения рентгеновской кристаллографии для определения строения графита и бронзы. Но когда он попытался применить эти методы для исследования органических молекул, он столкнулся с проблемой. Кристаллы в основном выращивают в концентрированном растворе, известном как «насыщенный». Кристаллы растут по мере испарения жидкости — как в простых школьных опытах с применением обычной поваренной соли (хлорида натрия) или сульфата меди. Отдельные молекулы или атомы выстраиваются в повторяющиеся ряды «элементарных ячеек» определенного типа, образуя кристаллическую решетку. Исследователи рассчитывали, что смогут получить кристаллы белка таким же способом, позволив очищенному белку выпасть из насыщенного белкового раствора. Но когда белки высушивали, перед тем как подвергнуть рентгеновскому облучению, их структура рассыпалась как карточный домик.
В середине 1930-х гг. оксфордский биохимик Джон Филпот, работавший в то время в Уппсале в Швеции, пытался вырастить кристаллы белка пепсина (пепсин — это пищеварительный фермент, который расщепляет белки в нашей пище). Он приготовил насыщенный раствор с кристаллами, поставил емкость в холодильник в своей лаборатории и уехал отдыхать на лыжный курорт. По возвращении он обнаружил, что его кристаллы очень выросли — некоторые до 2 мм в длину. По чистой случайности лабораторию Филпота тогда же навестил Глен Милликен из Кембриджа, который, по легенде, взглянув на получившийся препарат, сказал: «Я знаю человека, который душу продаст за эти кристаллы». Филпот вырастил их с избытком и великодушно отдал Милликену часть кристаллов прямо в пробирке с насыщенным раствором, чтобы тот отвез ее Берналу в Кавендишскую лабораторию.
В то время Бернал сотрудничал с приглашенной исследовательницей из Оксфорда Дороти Кроуфут (1910–1994), которая позже вышла замуж и стала известна как Дороти Ходжкин. Бернал обнаружил, что влажные свежие кристаллы при облучении поляризованным светом обнаруживают свойство, известное как двойное лучепреломление, что свидетельствует об их упорядоченной кристаллической структуре. Бернал и Кроуфут запечатали подаренные Филпотом кристаллы вместе с раствором в тонкостенной стеклянной трубке (капилляре) и затем облучили их рентгеновскими лучами. Так в 1934 г. был получен первый снимок дифракции рентгеновских лучей на одиночных кристаллах пепсина. Метод герметичных капилляров Бернала оставался стандартным способом рентгенографических исследований крупных биомолекул на протяжении следующих 50 лет.
С самого начала было ясно, что такие снимки в принципе могут пролить свет на структуру самих белковых молекул. Когда Бернал и Кроуфут описывали свой эксперимент в журнале Nature, они отметили:
Теперь, когда получены рентгеновские снимки кристаллов белка, понятно, что у нас есть новый инструмент для их исследования. Изучив структуру всех кристаллических белков, мы сможем прийти к гораздо более детальным выводам о строении белка, чем это позволяли сделать прежние физические или химические методы.
На протяжении следующих двух десятилетий Дороти Ходжкин продолжала изучать важные биологические молекулы методом рентгеновской кристаллографии, за что в 1964 г. ей была присуждена Нобелевская премия по химии[49]. В результате многочисленных исследований ряда ученых выяснилось, насколько сложной структурой обладают эти молекулы жизни. Последовательность аминокислот в цепочке является только первичной структурой белка. Эти цепочки могут закручиваться в мотивы вроде спирали, которые являются втори