После возвращения Полинга в США его команда с помощью рентгеновской дифракции провела дальнейшие исследования, которые подтвердили, что в основе структуры волоса лежит такая однонитевая спираль. Проделав колоссальную работу, Полинг и его коллеги опубликовали в 1951 г. семь научных статей, в которых строение волос, перьев, мышц, шелковых волокон, рогов и других фибриллярных белков было описано с применением того, что Полинг, позаимствовав терминологию Астбери, назвал альфа-спиралью. Но все эти детали менее важны по сравнению с тем, как именно был сделан этот прорыв. Открытие Полинга заставило ученых задуматься о спиралях в контексте биологических молекул, а также продемонстрировало возможности анализа по принципу «от малого к большому», когда создатели моделей могли путем подбора сочетаний простейших строительных блоков биологического материала найти комбинации, соответствующие данным рентгеноструктурного анализа. Всего два года спустя этот подход позволил сорвать главный приз в истории молекулярной биологии — установить структуру ДНК.
Даже в конце 1940-х гг., несмотря на работы Освальда Эвери и его коллег, по-прежнему часто считалось, что носителями генетической информации являются белки, а не ДНК. Но затем были проведены эксперименты, которые убедили даже отъявленных скептиков в том, что ДНК и есть «та самая» молекула жизни.
Почва была подготовлена благодаря анализу ДНК, который провел Эрвин Чаргафф (1905–2002), биохимик австрийского происхождения из Колумбийского университета в США. Под впечатлением от работ Эвери, Маклауда и Маккарти во второй половине 1940-х гг. он сосредоточил усилия своей лаборатории на исследовании ДНК. В молекулах ДНК и РНК содержатся два типа оснований. Первый из них — «пиримидины» — представляет собой единственное кольцо из шести атомов в форме практически правильного шестиугольника, которое может прикрепляться к другим частям молекулы с внешней стороны кольца. К этому типу относятся урацил (У), тимин (T) и цитозин (Ц). Второй тип называется «пурины» и обладает более сложным строением из двух похожих колец, соединенных друг с другом одной из сторон (что-то наподобие восьмерки). К этому семейству относятся аденин (A) и гуанин (Г). В ДНК содержатся основания А, Т, Г, Ц; в РНК — А, У, Г, Ц. Проведя серию точных экспериментов, команда Чаргаффа вывела набор простых правил, определяющих количественные соотношения между видами оснований в молекулах ДНК. Эти правила были изложены в статье 1950 г.: общее количество пуринов в образце ДНК (A + Г) всегда равно общему количеству пиримидинов (T + Ц); кроме того, количество А почти равно количеству Т, а количество Г почти равно количеству Ц. Команда также обнаружила, что соотношение гуанина, цитозина, аденина и тимина у разных живых видов различно[51]. Все это означало, что молекула ДНК не является просто каркасом с бесконечным повторением четырех оснований и должна иметь более сложное строение; это была смерть (совсем не преждевременная) тетрануклеотидной гипотезы. «Правила Чаргаффа» дали исследователям один из ключей к пониманию того, как устроена молекула ДНК, но это понимание пришло только после того, как другая команда убедительно доказала, что генетическая информация содержится именно в ДНК.
К пониманию значения ДНК привел ряд экспериментов, которые проводились со все более мелкими и быстро воспроизводящимся организмами. Грегор Мендель работал с горохом, Томас Хант Морган — с плодовыми мушками, а команда Эвери — с бактериями. Последний шаг на этом пути был сделан благодаря самым крошечным носителями генетического материала — вирусам. Чем меньше организм, тем меньше в нем чего-то, кроме генетического материала, и тем проще изучать этот материал. В вирусах это соотношение выражено в крайней степени.
Вирусы представляют собой просто наполненные генетическим материалом белковые капсулы размером гораздо меньше бактерий. Впервые их сфотографировали в 1940-х гг. с помощью электронного микроскопа. Типичный вирус напоминает головастика с «головой» в виде капсулы, заполненной генетическим материалом, и «хвостиком», который используется для прикрепления. Когда вирус атакует клетку, он проделывает в ее стенке отверстие и впрыскивает внутрь свой генетический материал, а пустая капсула, или оболочка, остается прикрепленной к стенке клетки. Впрыснутое вещество захватывает химическую фабрику клетки, и ее внутренние ресурсы используются для производства копий вируса. Затем клетка лопается, высвобождая новые копии вируса, и процесс повторяется.
Это простейшая форма жизни: вирусы существуют только для того, чтобы воспроизводить самих себя. В начале 1950-х гг. Альфред Херши (1908–1997) и Марта Чейз (1927–2003) из лаборатории Колд-Спринг-Харбор в США провели с вирусами замечательный эксперимент, благодаря которому было получено окончательное доказательство того факта, что именно ДНК содержит инструкции по производству копий вируса в атакованной клетке[52].
Вирусы, с которыми они работали, называются «бактериофаги» (или для краткости просто «фаги», от древнегреческого «фагеин», «пожираю»), так как они «пожирают» бактерии. В основе эксперимента Херши и Чейз лежал простой факт, что фосфор содержится в ДНК, но отсутствует в белках, а сера содержится в белках, но отсутствует в ДНК. Изотопы как фосфора, так и серы легко получить (если, конечно, вы ученый) в радиоактивной форме. Херши и Чейз «скормили» фагам бактерии, которые выращивались в питательной среде с содержанием радиоактивного изотопа либо фосфора (фосфор-32), либо серы (сера-35). Затем полученным радиоактивным фагам дали возможность атаковать колонию нерадиоактивных бактерий. Везде, где ученые обнаруживали радиоактивный фосфор, они прослеживали путь ДНК, а везде, где они обнаруживали радиоактивную серу, они прослеживали путь белка.
К сожалению, после того, как радиоактивные фаги заразили культуру бактерий, исследователи получили массу клеток, до отказа забитых новыми вирусами, но с прикрепленными на их стенках пустыми капсулами фагов, в которых прежде содержался их генетический материал. Оба вида радиоактивных изотопов присутствовали в клеточном бульоне. Чтобы отделить оболочки старых фагов от новых вирусов, которые производились внутри бактерий, ученые использовали обычный кухонный прибор, блендер фирмы Waring; биологам следующих поколений это исследование известно под названием «эксперимент с блендером Waring».
Херши и Чейз использовали блендер на минимальной мощности, чтобы аккуратно отделить оболочки фагов от стенок инфицированных клеток. Затем они поместили бульон в центрифугу, так что бактерии, заполненные новыми вирусами, осели на дно, а оболочки старых фагов остались плавать в растворе. Затем осадок и раствор были проанализированы. Радиоактивные изотопы фосфора, указывающие на присутствие ДНК, были обнаружены внутри клеток (в новом поколении вирусов), а радиоактивные изотопы серы, указывающие на присутствие белка, — в пустых оболочках. Результаты эксперимента были опубликованы в 1952 г. и не оставили места для сомнений: генетическая информация содержится именно в ДНК, а белки являются строительным материалом для живых организмов.
Этот на первый взгляд простой эксперимент был в значительной мере обязан своим успехом навыкам Марты Чейз, хотя официально она была «всего лишь» помощницей Альфреда Херши. Вацлав Шибальски, другой биолог из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, позже вспоминал:
Ее вклад в экспериментальную часть был очень велик. Лаборатория Херши была совершенно необычной. В то время они работали только вдвоем: когда вы входили в лабораторию, там царила абсолютная тишина, а Альфред руководил экспериментами, просто указывая Марте пальцем, и почти ничего не говоря. Она идеально подходила для работы с Херши{39}.
С этого момента стало ясно, что белки были строительным материалом бактериофагов, а ДНК — носителем генетической информации. Теперь едва ли хоть один биолог считал, что генетический материал является чем-то иным, кроме ДНК, и все было готово для установления строения самой молекулы ДНК.
Несмотря на то что Херши и Чейз проводили свои эксперименты в США, к открытию структуры ДНК вплотную подошли английские ученые. Впервые основы ее строения стали яснее благодаря экспериментам группы ученых из лаборатории биофизики лондонского Королевского колледжа, хотя в то время по странной прихоти судьбы их заслуги не были признаны. Руководитель этого подразделения Джон Рэндалл (1905–1984) стал одним из первых, кто признал ДНК носителем генетической информации; он был физиком, который в начале карьеры занимался рентгеновской дифракцией под руководством Лоуренса Брэгга, и потому собрал нетипичную для той эпохи группу ученых, в которой вместе с физиками трудились биологи, биохимики и представители других дисциплин.
В 1950 г. уроженец Новой Зеландии Морис Уилкинс (1916–2004) изучал в лаборатории Рэндалла различные виды биологических молекул, включая ДНК, белки и витамин B12. В мае того же года в Лондон прибыл швейцарский биохимик Рудольф Зигнер (1903–1990), чтобы выступить на собрании Фарадеевского общества с докладом об успешных экспериментах по выделению нуклеиновых кислот из вилочковой железы (тимуса) телят, которые он провел совместно со своим учеником Гансом Швандером. Зигнер передал Уилкинсу образец выделенной им крайне чистой ДНК. На самом деле это не было неожиданностью, так как Зигнер работал с ДНК уже много лет и еще в 1938 г. сообщал в статье в журнале Nature, что то, что он тогда назвал тимонуклеиновой кислотой, должно представлять собой длинную нитевидную молекулу массой от 500 000 до 1 000 000 атомных единиц. Но, как и в случае со многими другими «фундаментальными» исследованиями, их развитие и распространение информации о них задержала Вторая мировая война. Образцы ДНК, с которым начал работать Уилкинс, по консистенции представляли собой гель, и, когда он готовил их для анализа в ультрафиолетовом свете, он заметил кое-то любопытное. Вот как он рассказывал об этом в своей нобелевской лекции: