Текст книги "Нобелевские премии по физиологии или медицине за 100 лет"

ФРЕНСИС ХАРРИ КОМПТОН КРИК, Великобритания

(FRANCIS HARRY COMPTON CRICK)

1916

ДЖЕЙМС ДЕВЕЙ УОТСОН, США

(JAMES DEWEY WATSON)

1928

МОРИС ХЬЮ ФРЕДЕРИК УИЛКИНС, Великобритания

(MAURICE HUGH FREDERICK WILKINS)

1916

1933

1935

1946

1958

1959

1962

1965

1966 (а)

1968

1969

1975

1978

1983

1989

1993

1995

ФОРМУЛИРОВКА НОБЕЛЕВСКОГО КОМИТЕТА: «за открытие молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения в передаче информации в живой материи».

СУТЬ ОТКРЫТИЯ: за расшифровку структуры молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – хранителя и передатчика наследственной информации.

ПРЕДЫСТОРИЯ

В 1868 году швейцарский патологоанатом Иоган Фридрих Мишер (Johan Friedrich Miescher, 1811–1887) выделил из клеточного ядра новое вещество, которое он назвал нуклеином (лат. nucleus — ядро), о чем сообщил в 1869 году (подробные данные были опубликованы в 1890 году, уже после смерти Мишера. В 1889 году Рихард Альтманн (Richard Altmann, 1852–1901) назвал это вещество нуклеиновой кислотой. Химический состав (но не структурная формула) нуклеиновых кислот был исследован в начале XX века. Так, стало известно, что в них содержатся открытые Косселем (Нобелевская премия 1910 года) азотистые основания – аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил.

К середине 1940-х годов многое уже было известно о генах как носителях наследственности (см. статьи «1933» и «1946»). Было также известно, что хромосомы состоят из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков. Однако Освальд Теодор Эйвери (Oswald Theodore Avery, 1877–1955), К. М. Маклеод (С. М. Macleod) и М. Маккарти (М. McCarty) в США в 1944 году показали, что наследственные признаки могут быть переданы от одной бактерии к другой путем переноса чистой ДНК (без белков). Из этого с неизбежностью следовало: хранителем и передатчиком наследственной информации – является ДНК. Однако эта работа не получила должного признания: одни ее не заметили, другие – не поняли.

Бидл и Тейтем (оба – Нобелевская премия 1958 года) установили, что структура каждого синтезируемого белка закодирована в одном из генов; таким образом, гены управляют синтезом белков, в том числе и ферментов, а ферменты (биологические катализаторы) регулируют другие биохимические процессы в организме. Появилась знаменитая формула Бидла: один ген – один фермент.

В 1913–1914 годы англичане отец и сын Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоренс Брэгг (оба – Нобелевская премия по физике за 1915 год) создали метод рентгеноструктурного анализа, суть которого состояла в том, что любое вещество в кристаллической форме может быть подвергнуто воздействию рентгеновскиех лучей (под определенным углом) – полученный снимок позволяет судить о структуре молекулы.

В 1938 году Уильям Т. Астбери (William Т. Astbury) известный тем, что ввел в научный обиход термин молекулярная биология и Флориан Белл (Florian Bell), анализируя рентгенограммы ДНК, поняли, что в этой молекуле плоскости азотистых оснований должны располагаться параллельно друг другу, одно основание над другим. В 1950 году американец Э. Чаргафф (Е. Chargaff) показал, что количество аденина в молекуле ДНК равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитоцина. Таким образом были известны все компоненты молекулы ДНК и многое об их взаимоотношениях. Оставалось сделать логическое усилие и свести эти детали воедино так, чтобы получилась структурная формула ДНК.

ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

Наибольшим научным потенциалом и, соответственно, шансами на успех обладал американец Полинг (Нобелевская премия по химии за 1954 год и Нобелевская премия мира за 1962 год), которого даже современники, в том числе и Уотсон (Нобелевская премия 1962 года), называли великим химиком. Возможно, для решения проблемы ему не хватало только высококачественных рентгенограмм молекулы ДНК.

Такие рентгенограммы уже были получены Р. Франклин (R. Franklin, 1921–1958) в Кингс-коледже Лондонского университета. Анализируя их, руководитель этих работ Уилкинс, представлял себе молекулу ДНК в виде двойной или тройной спирали, состоящей из молекул сахара (дезоксирибозы) и остатков фосорной кислоты. Более того, была уверенность, что этот спиральный остов располагается снаружи, а внутри него должны размещаться азотистые основания. Однако именно они не укладывались в спираль, поэтому никак не удавалось построить структурную формулу ДНК. Полинг просил Уилкинса поделиться рентгенограммами для совместной работы, но тот не спешил соглашаться, надеясь решить проблему самостоятельно. Третьим заинтересованным в решении был физик Крик из Кавендишской лаборатории в Кембридже, знакомый с Уилкинсом и его работой. Препятствием было то, что группа Перуца (Нобелевская премия по химии за 1962 год), к которой принадлежал Крик, занимались белками, а не ДНК, поэтому интерес Крика оставался пока только теоретическим.

Удивительно то, что великая загадка была разгадана не раньше, чем к химику и трем физикам присоединился биолог – американец Уотсон, которому в то время было чуть больше 20 лет. Лурия (Нобелевская премия 1969 года), научный руководитель Уотсона, внушил ему мысль о том, что понять природу гена можно не раньше, чем будет установлена химическая структура ДНК, и отправил его в Европу поучиться химии нуклеиновых кислот. Там Уотсон встретился с Уилкинсом (в 1951 году на научной конференции в Неаполе), и как писал потом Уотсон в своей знаменитой книги «Двойная спираль», Уилкинс познакомил его с рентгенограммами ДНК и пробудил у него интерес к рентгеноструктурным исследованиям нуклеиновых кислот. Преимуществом Уотсона было то, что, в отличие от своих коллег физико-химиков, он постоянно помнил о необходимости построить структуру, способную к репликации, то есть к самовоспроизведению молекулы ДНК, что обеспечивало бы точное копирование генетической информации.

Уотсон похлопотал о командировании его в Кембридж и там встретился с Криком. Идея заразила Крика, и быстро наладив сотрудничество, они в течение 1951–1953 годов упорно искали решение. Построив из проволоки двойную спираль выше человеческого роста, они пытались уложить в нее азотистые основания, скрепленные водородными связями. Решение пришло, когда американский кристаллограф, работавший в той же лаборатории, подсказал Уотсону, что он напрасно верит учебникам и пытается оперировать азотистыми основаниями в энольной, а не в кетоформе. Изготовив из картона модели в нужной форме, Уотсон складывал их на столе в различных сочетаниях и неожиданно для себя обнаружил, что пара аденин-тимин имеет такую же форму и размеры, что и пара гуанин-цитозин. Эло позволяло уложить пары внутрь двойной спирали подобно ступенькам винтовой лестницы. После нескольких консультаций и проверки некоторых деталей Уотсон и Крик в начале 1953 года отправили статью в “Nature”. В статье была фраза: «Мы вполне отдаем себе отчет в том, что установленное нами специфическое спариваение непосредственно указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности». Окружающим они говорили, что участвуют в «быть может, самом славном событии в биологии со времен книги Дарвина».

ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА

С Дельбрюком (Нобелевская преми 1969 года) Уотсон обменивался письмами, в которых сообщал чуть ли не каждый свой шаг на пути решения проблемы. Дельбрюк был первым, кому Уотсон сообщил о своей и Крика победе. Вторым был исследователь фагов парижанин Львов (Нобелевская премия 1965 года), в лабораторию которого Уотсон отправился с результатами еще до их опубликования в “Nature”.

Предложенная Уотсоном и Криком гипотеза соответствовала всем имевшимся в то время данным о составе ДНК, полученным путем химического и рентгеноструктурного анализа. Изящность модели сразу же покорила научный мир. Стало понятно, что генетический код представляет собою последовательность нуклеотидов (элементов) в двойной спирали ДНК. В случае необходимости двойная спираль расплетается, и с одной из ее половин информация считывается на строящуюся молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая передает эту информацию непосредственно механизму белкового синтеза. Кроме того, при полном разделении спиралей ДНК каждая из половин может стать матрицей для достройки второй половины («самовоспроизведение»).

Единственное, что омрачало торжество Уотсона и Крика, это сложные отношения между первооткрывателями: Уилкинс и Франклин познакомили Уотсона с данными рентгеноструктурного анализа ДНК только в общих чертах. Детали (совершенно необходимые для решения проблемы) он узнал из служебного отчета, который ему показали без их ведома. Положение все же было менее драматичным, чем иногда потом изображали: перед тем, как отправить статью, Уотсон и Крик показали ее Уилкинсу и Франклин, и те одновременно послали свою статью с описанием собственного вклада в решение проблемы. В 1958 году Розалинд Франклин умерла от рака в возрасте 37 лет, после чего круг потенциальных лауреатов сузился до допустимого числа (три).

Открытие структуры нуклеиновых кислот сразу же подтолкнуло химиков-синтетиков к попытке создать их «в пробирке». Уже в 1955 году это удалось Очоа в отношении РНК и в 1957-м – Корнбергу в отношении ДНК. Так случилось, что Нобелевскую премию они получили даже раньше (1959), чем Крик, Уотсон и Уилкинс.

Работы Уотсона, Крика и Уилкинса стали первым толчком к созданию новой области науки – генной инженерии, которая разработала способы направленного воздействия на генетический код, восстановления его поврежденных участков или создания новых сочетаний для синтеза белков заданной структуры. Достижения этой науки используются и для синтеза необходимых гормонов (например, инсулина), ферментов и пищевых белков.

Расшифровка структуры ДНК стала одним из самых крупных открытий в истории науки. Теперь, в начале XXI века, развитие биологии видится отчетливо делящимся на два периода – до и после двойной спирали. Оно стало водоразделом, после которого молекулярный подход быстро проник во все области биологии. Это открытие позволило лучше понять такие проблемы, как взаимодействие наследственности и внешней среды, мутации и их последствия для синтеза белка, и приблизило человечество к пониманию самого происхождения жизни.

Создание двойной спирали имело не только чисто научные, но и психологические последствия. Оно заставило многих молодых людей задуматься о возможной научной карьере. Ведь в момент великого открытия Уотсону было всего только 24 года!

Прочтение кода, которым в молекуле ДНК записана последовательность аминокислотных остатков в будущей белковой молекуле, стало возможным после того, как в 1961 году Ниренберг (Нобелевская премия 1968 года) и Г. Матеи (Н. Matei) синтезировали не встречающуюся в природе РНК, содержащую из всех азотистых оснований только урацил. Синтезированный по ней белок представлял собой цепочку из остатков одной только аминокислоты – фенилаланина. Вскоре лаборатории Ниренберга и Очоа прочли весь «алфавит», содержащийся в ДНК.

БИОГРАФИИ:

КРИК

Крик родился 8 июня 1916 года в Нортхемптоне, Англия. Он был старшим ребенком в семье Гарри Крика (Harry Crick) и Энни Элизабет Уилкинс (Annie Elizabeth Wilkins). Его брат А. Ф. Крик стал врачом и работал в Новой Зеландии. Крик получил образование в начальной школе Нортамптон, а также в школе Милл Хилл в Лондоне. Он изучал физику в колледже Лондонского университета, где получил степень бакалавра в 1937 году, но работа над докторской диссертацией была прервана началом войны (1939). В военные годы Крик работал на Британское адмиралтейство, участвовал в разработке магнитных и акустических мин.

В 1946 году Крик прочел книгу Шрёдингера (Нобелевская премия по физике за 1933 год) «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Взгляды Шрёденгера произвели на Крика такое сильное впечатление, что он решил оставить физические исследования и заняться исследованиями биологическими. Это было одним из наиболее удачных решений в истории науки, поскольку уже через семь лет привело Крика к самому оглушительному открытию в биологии XX века. Решение было и достаточно смелым: Крик до этого времени не изучал биологии, не был основательно знаком и с органической химией, тем более с кристаллографией, так что последующие годы он потратил на изучение этих предметов.

Итак, в 1947 году Крик оставил Адмиралтейство, чтобы посвятить себя биологии, но прежде он занялся общей теорией дифракции рентгеновых лучей спиральными структурами и одновременно с Полингом (Нобелевские премии по химии за 1954 год и мира за 1962 год) предположил, что дифракционная картина б-кератина определялась б-спиралями, обернутыми одна вокруг другой. На стипендию Совета по медицинским исследованиям и при некоторой финансовой помощи семьи Крик отправился в Кембридж работать в Научно-исследовательской лаборатории. В 1949 году он присоединился к группе ученых, созданной Советом по медицинским исследованиям и возглавляемой Перуцем (Нобелевская премия по химии за 1962 год). Это исследовательское подразделение много лет располагалось в Кавендишских лабораториях в Кембридже. В 1950 году Крик повторно стал аспирантом, на этот раз в колледже Каиус в Кембридже и в 1954 году получил докторскую степень за диссертацию, посвященную дифракции рентгеновскиех лучей в полипептидах и белках. В 1953–1954 годы Крик принял участие Проекте исследования структуры белка в Бруклинском политехническом институте в Нью-Йорке. Он также дважды читал лекции в Гарварде в качестве приглашенного профессора и посетил многие другие лаборатории в США.

Критическое влияние на карьеру Крика оказало его знакомство в 1951 году с Уотсоном, 23-летним американцем, вместе с которым они в 1953 году описали структуру ДНК в виде двойной спирали. Позднее Крик и Уотсон предложили общую теорию структуры малых вирусов. В дальнейшем Крик работал в области биохимии и генетики белкового синтеза (адаптерная гипотеза) и расшифровке генетического кода.

В 1940 году Крик женился на Рут Дорин Додд (Ruth Doreen Dodd). У них был один сын. Они развелись в 1947 году, а 1949 году он женился на Одиле Спид (Odile Speed). У них было две дочери.

УОТСОН

Уотсон родился 3 апреля 1928 года в Чикаго в семье Джеймса Деви Уотсона (James Dewey Watson), бизнесмена, и Джин Митчелл (Jean Mitchell). Джеймс провел детство в Чикаго, где ходил в среднюю школу Южного берега. В 1943 году он поступил в четырехлетний колледж Чикагского университета. В 1947 году получил степень бакалавра зоологии. В эти годы его детский интерес к наблюдениям за птицами перерос в серьезное желание изучать генетику. Желание осуществилось, когда Уотсон получил стипендию в Индианском университете в Блумингтоне, где в 1950 году ему присудили докторскую степень по зоологии. Именно там на него оказали глубокое влияние генетики Мёллер (Нобелевская премия 1946 года) и Лурия (Нобелевская премия 1969 года). Диссертация Уотсона, выполненная под руководством Лурия, была посвящена изучению эффекта жесткого рентгеновского излучения на размножение бактериофагов.

В 1950–1951 Уотсон провел год в качестве постдокторанта Национального совета по научным исследованиям в Копенгагене. Здесь Уотсон снова работал с бактериальными вирусами, пытаясь изучить превращения их ДНК. В 1951 году Уотсон отправился на Зоологическую станцию в Неаполе. Там на симпозиуме он встретил Уилкинса и впервые увидел рентгеновский дифракционный снимок кристаллической ДНК. Это заставило Уотсона изменить направление своих исследований и перейти к структурной химии нуклеиновых кислот, а позднее и белков. Для этого Лурия договорился, что Уотсон будет работать в Кавендишских лабораториях, куда тот и отправился в октябре 1952 года. Вскоре Уотсон познакомился с Криком и они обнаружили общий интерес к изучению структуры ДНК.

В то же самое время Уотсон изучал структуру вируса TMV. используя дифракционные рентгеновские методы, и в 1952 году доказал винтовую конструкцию вируса. С 1953 по 1955 годы Уотсон работал в Калифорнийском технологическом институте. В 1955–1956 годы он, вернувшись в Кавендишские лаборатории, продолжил работу с Криком. С 1956 года он стал членом биологического факультета Гарварда, сначала как ассистент, ас 1961 года – как профессор. В течение этого периода он занимался изучением роли РНК в белковом синтезе.

В 1968 году Уотсон женился на Элизабет Льюис (Elizabeth Lewis), у них два сына.

УИЛКИНС

Уилкинс родился 15 декабря 1916 года в Понгароа, Новая Зеландия. Его родители школьный доктор Эдгар Генри Уилкинс (Edgar Henry Wilkins) и Эвелин Констанс Джейн Уиттакер (Eveline Constance Jane Whittaker) были переселенцами из Ирландии. В возрасте шести лет Морис переехал в Англию и получил образование в Школе короля Эдуарда в Бирмингеме. Он изучал физику в Колледже Св. Джона в Кембридже ив 1938 году получил свою первую ученую степень. Он отправился в Бирмингемский университет, где стал ассистентом на кафедре физики и изучал люминесценцию твердых тел. Уилкинс получил докторскую степень в 1940 году за диссертацию по температурной стабильности пойманных электронов в люминофорах и по теории фосфоресценции. Он нашел применение своим идеям в различных военных задачах, в частности в усовершенствовании катодных трубок для радаров. Позднее Уилкинс работал над задачей масс-спектрографического разделения изотопов урана для использования в бомбах, а затем переехал из Бирмингема в Беркли, Калифорния, для участия в Манхэттенском проекте.

В 1945 после окончания войны Уилкинс был лектором по физике в университете Св. Эндрю в Шотландии, где был организован курс биофизики. Биофизические исследования привели Уилкинса в 1946 году в Кингс-колледж в Лондоне. Там он вошел в группу биофизики, организованную Советом по научным исследованиям. Сначала он заинтересовался генетическими эффектами ультразвука, но через два года перешел к разработке зеркальных ультрафиолетовых микроскопов для микроспектрофотометрии нуклеиновых кислот в клетках. Он также изучал ориентацию пуринов и пиримидинов в вирусе табачной мозаики. Тогда же он начал изучение дифракции рентгеновского излучения в ДНК спермы. Получение Франклин вместе с Уилкинсом четких снимков привело Уотсона и Крика к открытию молекулярной структуры ДНК.

В 1950 году Уилкинс был помощником директора Medical Research Council Unit, а в 1955-м – директором.

В 1959 году Уилкинс женился на Патрисии Энн Чиджей (Patricia Ann Chidgey). У них два сына и две дочери.

ЛИТЕРАТУРА

Работы Крика:

Строение вещества наследственности ⁄ Физика и химия жизни. М.,1960.С. 121–137;

Генетический код (I) ⁄ Структура и функция клетки. М., 1964. С. 9–23;

Генетический код//Усп. физ. наук. 1964. Т. 82. С. 133–160 (с М. Ниренбергом);

Генетический код (III) ⁄ Молекулы и клетки. Вып. 3. М., 1968. С. 48–60;

Structure for deoxyribose nucleic acid //Nature. 1953. V. 171. P. 737 (with J. D. Watson);

The Genetic Code. III. San Francisco, California, 1966;

Of Molecules and Man. Seattle, Washington, 1966;

Life Itself: Its Origin and Nature. New York, 1981.

О нем:

Current Biography Yearbook. New York, 1963. P. 68–71;

Biographical Encyclopedia of Scientists. New York, 1981. P. 168–169;

Asimov’s Biographical Encyclopedia of Science and Technology. Garden City, New York, 1982. P. 859–861;

Fox J. L. The DNA double helix turns 30. A celebration in Boston brought Watson and Crick together in a rare joint appearance // Science. 1983. V. 222. N. 4619. P. 29–30.

Работы Уотсона:

Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК. М., 1969;

Молекулярная биология гена. М., 1978;

Рекомбинантные ДНК: Краткий курс. М., 1986 (с Дж. Тузом, Д. Курцем);

Molecule Biology of Gene. Mento Park, California, 1965;

The DNA Story. San Francisco, California, 1981 (with J. Toose);

The Molecular Biology of the Cell. New York, 1983 (with others).

О нем:

The Double Helix. New York, 1962; Nobel laureates in medicine: Drs. F. H. S. Crick, F.R. S., M. H. F. Wilkins, F. R. S. and Prof. W. Watson//Nature. 1962. V. 196. N. 4852. P. 319;

Current Biography Yearbook. New York, 1963. P. 458–460;

Fox J. L. The DNA double helix turns 30. A celebration in Boston brought Watson and Crick together in a rare joint appearance // Science. 1983. V. 222. N. 4619. P. 29–30.

Работы Уилкинсона:

Crystallinity in sperm heads: Molecular structure of nucleoprotein in vivo // Biochim. Biophys. Act. 1953. V. 10. P. 192–193 (with J. T. Randall);

The molecular configuration of deoxyribonucleic acid. I. X-ray diffraction study of a crystalline form of the lithium salts // J. Mol. Biol. 1960. V. 2. P. 19 (with others);

The molecule structure of deoxyribonucleic acid (DNA) // J. Chim. Phys. 1961. V. 58. P. 891–98.

О нем:

Nobel laureates in medicine: Drs. F. H. S. Crick, F.R. S., M. H. F. Wilkins, F. R. S. and Prof. W. Watson//Nature. 1962. V. 196. N. 4852. P. 319;

Current Biography Yearbook. New York, 1963. P. 465–466;

Asimov’s Biographical Encyclopedia of Science and Technology. Garden City, NewYork, 1982. P. 1415.

О них:

Nobel laureates in medicine: Drs. F. H. S. Crick, F.R. S., M. H. F. Wilkins, F. R. S. and Prof. W. Watson//Nature. 1962. V. 196. N. 4852. P. 319;

Nobel Prize winners. Three scientists, an American and two British, share the 1962 Nobel Prize in physiology or medicine for their work on DNA, one of the building blocks of life // Sci. News. Lett. 1962. V. 82. N.I 7. P. 267;