Забытый учёный, проложивший путь к открытию структуры ДНК

Эксперименты Джеймса Майкла Криза с кислотой и ДНК из вилочковой железы телёнка не только принесли ему степень PhD, но и проложили путь к открытию, изменившему мир.

Хотя Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик знамениты как первые, кто определил структуру ДНК, а Розалинд Франклин и Морис Уилкинс известны за снимки молекулы, несколько других учёных, сыгравших ключевую роль в этом важнейшем открытии века, остаются малоизвестными.

Осенью 1947 года Криз и его научные руководители опубликовали третью из трёх статей исследователей из (будущего) Ноттингемского университета. Эта работа завершила сбор доказательств, показывающих, как удерживается вместе молекула ДНК. Доказав, что ДНК содержит «молекулярный клей» — водородные связи, — они сделали возможным для Уотсона и Крика вывод о том, что молекула должна иметь форму двух цепей, соединённых в двойную спираль. Это открытие, сделанное спустя шесть лет после работы Криза, позволило создать генетическую науку в её современном виде.

Криз даже создал собственную грубую модель ДНК из двух цепей, соединённых связями между их строительными блоками, — не слишком отличающуюся от реальной структуры. К сожалению, его открытия остались почти незамеченными. Спустя 70 лет Ноттингем отметил открытие водородных связей в ДНК специальной конференцией в здании, где оно было сделано, и мемориальной доской у входа.

Загадка ДНК

Криз учился химии в Университетском колледже Ноттингема и после выпуска начал работу над PhD под руководством химиков Дж. Массона Галланда и Дениса О. «Доджа» Джордана.

В то время интерес к ДНК рос, так как учёные подозревали, что она может быть веществом, связанным с генами и наследственностью. Исследования показали, что она состоит из нуклеотидов. Каждый содержал остаток сахара дезоксирибозы, молекулу фосфатной группы и одну из четырёх различных азотистых основ: тимин (T), цитозин (C), аденин (A) или гуанин (G).

Но как молекула ДНК построена, удерживается вместе и как записывает наши гены, оставалось загадкой. Некоторые учёные даже (ошибочно) считали, что она может иметь форму шара.

Сокурсники Криза, К.Дж. Трельфолл и Х.Ф.В. Тейлор, уже добились прогресса. Трельфолл разработал метод очистки образца ДНК для изучения. Галланд, Джордан и Тейлор затем изучали очищенную ДНК с помощью электрометрического титрования, отслеживая изменение её pH при добавлении кислоты или щёлочи.

Не получив ожидаемых результатов, они предположили, что причиной может быть наличие в структуре ДНК водородных связей. Эти связи возникают, когда атомы водорода делятся электронами с другими атомами, такими как кислород и азот, и могут влиять на общую форму молекулы.

Решающий шаг

Окончательный и решающий шаг был сделан Кризом в эксперименте с использованием вискозиметрии. Этот метод позволяет измерить размер молекулы ДНК в растворе и его изменение.

Когда в раствор добавляли сильную кислоту или щёлочь, его «вязкость» или густота (сопротивление течению) резко падала, что указывало на наличие водородных связей. Криз, Галланд и Джордан заключили, что водородные связи соединяют основания соседних нуклеотидов.

Кислота или щёлочь необратимо разрушали эти связи, расщепляя молекулу ДНК на более мелкие единицы и делая раствор гораздо более текучим. Хотя Криз и его руководители так и не смогли сделать последний шаг к определению точной структуры ДНК, они показали, что водородные связи должны быть её важной частью.

Идеальное соответствие

В своей диссертации 1947 года Криз верно предсказал, что молекула ДНК состоит из двух цепей, каждая из которых имеет фосфатно-сахарный остов снаружи и водородносвязанные основания внутри. Позже было показано, что эта двухцепочечная структура идеально соответствует биологической функции ДНК. Водородные связи были достаточно прочными, чтобы удерживать комплементарные цепи вместе, но достаточно слабыми, чтобы их можно было разъединить для считывания или копирования, как генетические инструкции. Это лежит в основе деления клеток и передачи генов.

Вскоре после открытия команда распалась. Галланд трагически погиб в железнодорожной катастрофе, а Джордан переехал в Университет Аделаиды через Принстон. Определить точную структуру, в которой водородные связи заставляют цепи закручиваться в двойную спираль, удалось Крику и Уотсону.

Хотя трое ноттингемских учёных не сделали последних выводов, их работа была жизненно важна для одного из самых влиятельных открытий современной науки. По словам самого Криза, оглядываясь назад после выхода на пенсию: «Оглядываясь назад, мы получили не просто проблеск, а хороший вид на ту самую связь, которая является ничем иным, как ключом к жизни на этой планете».