Каждый раз, когда я касался геля стеклянной палочкой и затем отводил палочку, вслед за ней вытягивалось тонкое, почти невидимое волокно ДНК, похожее на нить паутины. Совершенство и однородность этих волокон указывали на то, что молекулы в них расположены упорядоченным образом. Я сразу подумал, что эти волокна могут быть отличным материалом для рентгеноструктурного анализа. Я отнес их Рэймонду Гослингу, у которого был наш единственный рентгеновский аппарат (собранный из списанных военными компонентов оборудования) и который использовал его для получения дифракционных снимков головок бараньих сперматозоидов.
Гослинг (1926–2015) в то время был аспирантом и работал под руководством Рэндалла. Он хранил нити ДНК во влажном состоянии (помня о работе Бернала с белками) и запечатывал их в капиллярные трубки, заполненные водородом, чтобы атомы углерода и азота из окружающего воздуха не влияли на картину рентгеновской дифракции. Хотя в 1950 г. Гослинг сумел получить дифракционные изображения ДНК, он был ограничен возможностями своего самодельного оборудования[53]. Но в 1951 г. ситуация кардинально изменилась. Рэндалл не только получил новое оборудование, но и нанял еще одного сотрудника, Розалинд Франклин (1920–1958), чтобы решить проблему строения ДНК.
Франклин была экспертом в области рентгеновской кристаллографии и до этого работала в Париже, занимаясь исследованием структуры угля и получаемых из него соединений, однако никогда раньше не изучала биологические молекулы. Ее наняли на три года работать с белками и липидами, но, когда она пришла в Королевский колледж в январе 1951 г., Рэндалл уже решил предложить ей заняться анализом образцов ДНК Зигнера, причем Гослинг должен был стать ее ассистентом. Естественно, что Уилкинс был недоволен таким решением, и в ответ на его возражения Рэндалл разрешил ему заняться собственными исследованиями образцов ДНК, предоставленных Чаргаффом. В мае 1951 г. Уилкинс представил несколько снимков, сделанных совместно с Гослингом, на научной конференции в Неаполе, где они заинтересовали одного из молодых участников — американского биолога Джеймса Уотсона (род. 1928), который недавно защитил диссертацию и в тот год работал в Копенгагене, но вскоре должен был перебраться в Кембридж.
Франклин и Гослинг были слаженной командой. Гослинг умел получать кристаллическую ДНК — он был первым, кому это удалось, — а Франклин знала, как настроить новое оборудование, чтобы выжать из него максимум возможного. Они сделали первые снимки рентгеновской дифракции на кристаллах ДНК и обнаружили, что молекула существует в двух формах. При высокой влажности она выглядит как длинное тонкое волокно, но при высушивании она укорачивается и утолщается. Эти формы они назвали соответственно «B-форма» и «A-форма». Из-за наличия жидкости внутри клеток предполагалось, что В-форма больше походит на ДНК живых организмов.
Из-за соперничества между учеными Королевского колледжа Франклин по указанию Рэндалла занялась А-формой, а Уилкинс — B-формой. Дальнейший анализ показал, что обе формы, вероятно, имеют спиральную структуру, и в ноябре 1951 г. Франклин выступила в Королевском колледже с лекцией. В конспекте ее лекции содержалось следующее утверждение:
Результаты позволяют предположить спиральную структуру (которая должна быть очень плотно упакована), содержащую 2, 3 или 4 закрученных вокруг одной оси цепи нуклеиновых кислот на каждом витке спирали…{40}
Уотсон присутствовал на этой лекции, а также обсуждал ДНК с Уилкинсом — на тот момент спиральная структура для В-формы ДНК была установлена надежнее, чем для А-формы. Но Уотсон всегда настаивал на том, что не помнит этого замечания Франклин. Еще один ученый из Королевского колледжа, Алекс Стоукс (1919–2003), воспользовавшись аналогией Флоренс Белл, предположил существование двойной спирали, в которой торчащие из сахарофосфатного остова основания были уложены друг на друга как «стопка монет» или как игральные карты при рифленой тасовке. Но оставалось еще много неясных деталей; для определения точного строения молекулы ДНК требовалось гораздо больше данных и проведение гораздо более глубокого анализа, что заняло весь 1952 г.
В начале 1953 г., когда стало очевидно, что обе формы ДНК имеют спиральную структуру, Франклин подготовила две научные статьи о том, что A-форма является двойной спиралью. Они были отправлены в журнал Acta Crystallographica, куда прибыли 6 марта. Это стало лебединой песней Франклин в Королевском колледже перед ее уходом в лондонский Биркбек-колледж. Она написала еще одну статью, датированную 17 марта 1953 г., в которой были представлены доказательства в пользу двуспирального строения B-формы ДНК. Но из-за событий в Кембридже эта статья не была опубликована в первоначальном виде, и о ней стало известно только после смерти Франклин. В это же самое время строение B-формы ДНК открыла другая команда ученых, которой Уилкинс, нарушив профессиональную этику, предоставил доступ к данным Франклин без ее ведома; в том числе он передал им один из ее (и Гослинга) лучших дифракционных снимков. Этот известный как «фото 51» снимок, на котором запечатлена рентгенограмма ДНК в самом высоком разрешении, доступном на тот момент, был сделан в мае 1952 г. На снимке четко просматривался крестообразный мотив, который мог отражать только спиральную структуру. Если можно сказать, что какое-то конкретное изображение открыло тайну строения ДНК, то это было фото 51.
Человеком, которому в январе 1953 г. показали эту фотографию и который поспешил с ней обратно в Кембридж, был Джеймс Уотсон. В своей книге «Двойная спираль» (The Double Helix) он писал:
Как только я увидел рентгенограмму, у меня открылся рот и бешено забилось сердце. Распределение рефлексов было неизмеримо проще, чем все, что получали раньше… бросавшийся в глаза черный крест мог быть лишь результатом спиральной структуры[54].
Такая реакция Уотсона объяснялась тем, что в Кембридже он вместе со своим коллегой Фрэнсисом Криком тоже работал над решением загадки строения ДНК. Крик (1916–2004) был физиком, который разочаровался в физике, приняв во время войны участие в создании ядерной бомбы, а потому в 1949 г., в возрасте 33 лет, занялся биологией и ушел писать диссертацию в отдел медицинских исследований Кавендишской лаборатории. Хотя он получил докторскую степень в 1953 г. за исследование белков и полипептидов, это произошло уже после того, как они с Уотсоном прославились благодаря внеурочной работе над строением ДНК.
Уотсон и Крик работали в одном помещении, так что Крик вскоре заразился энтузиазмом Уотсона и начал тайком от остальных исследовать ДНК вместе с ним. По сравнению с учеными из Королевского колледжа, оба они были дилетантами, которые мало знали об истории исследований ДНК, но их сильно впечатлил подход Полинга «от малого к большому». В перерывах между своими официальными исследованиями (Уотсон должен был работать с вирусом табачной мозаики) они пытались построить модель молекулы ДНК, но им мешало их собственное невежество. Прорыв произошел в июне 1952 г., после того как Крик обсудил эту проблему с биохимиком Джоном Гриффитом (1928–1972), племянником Фредерика Гриффита. Крику нравилась идея, что плоские основания с противоположных нитей ДНК могут укладываться друг на друга, как игральные карты при рифленой тасовке, и он спросил Гриффита, может ли тот определить, какие из оснований могут подходить одно к другому в такой стопке. Несколько дней спустя в очереди за чаем в столовой Кавендишской лаборатории Гриффит сказал Крику, что обдумал химические структуры оснований и считает, что аденин естественным образом соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином. Крик мгновенно осознал, что это позволит происходить так называемой комплементарной репликации: если разделить нити, разорвав пары АТ и ГЦ, то все основания Ц одной нити соединятся со свободными основаниями Г, основания Т — с основаниями А, и т. д. Гриффит тоже догадался об этом, но благодаря своему знанию химии он понял кое-что еще, до чего Крик дошел не сразу. Обнаруженные Гриффитом свойства не способствовали тому, чтобы основания располагались стопкой одно над другим. Пары АТ и ГЦ могли соединяться друг с другом грань к грани при помощи комбинации водородных связей, причем каждая из этих пар имела одинаковую ширину, так что занимала бы один и тот же промежуток, соединяя две нити ДНК, как ступеньки винтовой лестницы.
Низкий уровень информированности Крика и Уотсона виден и по тому, что на тот момент они еще не слышали о «правилах Чаргаффа»[55]. Но в июле 1952 г. Чаргафф сам приехал в Кембридж, и Крик спросил у него, была ли хоть какая-то польза от анализа химического состава ДНК. Вот как об этом рассказывал сам Крик в своем интервью Роберту Олби в 1968 г.:
Чаргафф слегка настороженно сказал: «Ну разумеется, соотношение один к одному». Я спросил: «Что это?» Он ответил: «Но все это есть в публикациях!» Конечно же, я не читал этих работ, поэтому откуда мне было знать? Когда он мне все рассказал, я был потрясен. Поэтому я и сейчас это помню. Я вдруг подумал: «Господи, но раз есть комплементарные пары, то обязательно должно быть и соотношение один к одному». К тому времени я забыл все, что мне рассказывал Гриффит. Я не помнил, как назывались основания. Потом я пошел к Гриффиту, попросил его перечислить его парные основания и все записал. А потом я забыл, что сказал мне Чаргафф, и поэтому мне пришлось пойти и посмотреть его статьи. К моему изумлению, пары, которые назвал мне Гриффит, были теми же парами, о которых рассказывал Чаргафф.
Вооруженные этой информацией, фото 51 и другими данными из Королевского колледжа, в начале 1953 г. Крик и Уотсон разработали свою знаменитую модель ДНК, в которой все сходилось, если каждая молекула состояла из двух нитей, закрученных одна вокруг другой в виде двойной спирали, во внутреннем объеме которой основания располагались таким образом, чтобы основания одной нити соединялись с основаниями второй. Аденин всегда соединялся с тимином, а цитозин — с гуанином. Поскольку нити являлись зеркальными отражениями друг друга, если они разделялись, каждая достраивала новую двойную спираль путем добавления нужных оснований, чтобы создать нить-партнера.