Чертежи самой Жизни

Не все, о чем писал Полинг в той прославленной серии статей, опубликованных в 1951 году, оказалось верным. Тщательный пересмотр всего корпуса его текстов за тот год позволяет выявить несколько слабых мест. В частности, впоследствии пришлось отказаться от модели гамма-спирали по энергетическим соображениям. Однако мелкие недочеты совершенно не умаляют грандиозности открытия Полинга – его альфа-спирали и ее основополагающей роли в структуре белков. Более того, вклад Полинга в наше понимание природы жизни этим отнюдь не ограничивается. Он оказался в числе первых ученых, которые заметили, что биология при всей ее сложности, в сущности, не более чем молекулярная химия, сопряженная с теорией эволюции. Еще в 1948 году Полинг прозорливо писал: «Чтобы понимать все великие биологические явления, нужно прежде всего разбираться в устройстве атомов и молекул, которые они формируют, создавая связи друг с другом; при этом нельзя довольствоваться пониманием устройства простых молекул… Нам следует также изучить структуру гигантских молекул в живых организмах».

Влияние Полинга на теорию и методологию молекулярной биологии в целом поражает не меньше. Сначала в своей основополагающей монографии «The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals» («Природа химической связи и структура молекул и кристаллов»), вышедшей в 1939 году (Перевод на русский язык опубликован под сокращенным названием и с другой транслитерацией фамилии: Л. Паулинг, «Природа химической связи», Госхимиздат, 1947, пер. М. Дяткиной. – Прим. перев.) Полинг отмечает, как велико значение водородной связи в биомолекулах: «По моему мнению, если и далее применять методы структурной химии к физиологическим задачам, мы обнаружим, что значение водородной связи в физиологии куда больше, чем значение любой другой особенности химических структур». И в самом деле, структура многих органических молекул – от белков до нуклеиновых кислот – полностью подтвердила это предположение.

Во-вторых, Полинг стал первопроходцем в построении моделей – он превратил его в своего рода искусство предсказаний, основанное на строгих правилах структурной химии. Даже объемные красочные модели, построенные в Калифорнийском технологическом институте, произвели в области макромолекулярных исследований настоящий фурор. Эти модели, которые делали в мастерской Калифорнийского технологического института по заказу лаборатории, в 1956 году стоили 1220 долларов за набор, состоявший примерно из шестисот «атомов».

Оказалось, что и практика, к которой прибегнул Полинг – не начинать с изучения рентгеновской дифракции, а прибегать к рентгенографии лишь как к последнему доводу, позволяющему выбрать верную гипотезу из нескольких, очень хитроумных и тонко обоснованных, – необычайно эффективна: тот же подход вскоре применили и Уотсон и Крик при изучении структуры ДНК.

Полингу принадлежит и еще одно выдающееся замечание по поводу генетики, которое он сделал в 1948 году во время лекции. Правда, судя по всему, даже он в то время еще не понимал в полной мере, насколько масштабны выводы из него. В начале той лекции Полинг напомнил слушателям:

«Монах Мендель обратил внимание, что наследование черт у растений горошка, например, карликовости или высокорослости или, скажем, лиловых и белых цветков, можно объяснить при помощи гипотезы о неких единицах наследования, которые передаются от родителей к потомству. Томас Хант Морган и его сотрудники определили, что эти единицы – это гены, расположенные вдоль хромосом в линейном порядке.»

А затем, ближе к концу лекции, добавил:

«Точный механизм, при помощи которого ген или молекула вируса производит себе подобных, пока не известен. В целом применение гена или вируса в качестве лекала приводит к образованию молекулы не с идентичной, а с комплементарной структурой. Может, конечно, случиться и так, что молекула окажется одновременно и идентичной, и комплементарной лекалу, по которой она создана. Однако мне представляется, что подобное развитие событий крайне маловероятно и рассматривать его стоит лишь в следующем случае. Если структура, которая служит лекалом (ген или молекула вируса) состоит, предположим, из двух частей, которые сами комплементарны по структуре, то каждая из этих частей может служить образцом для создания копии другой части, и тогда комплекс из двух частей может служить лекалом для создания копии самого себя (выделено мной. – М. Л.).»

Как мы вскоре убедимся, если бы Полинг четыре года спустя вспомнил собственное утверждение, когда пытался определить структуру ДНК, то, вероятно, избежал бы своего ужасного ляпсуса.

О ДНК Полинг задумался только летом 1951 года. До начала пятидесятых большинство биологов и биохимиков придерживались белковой парадигмы – представления о том, что закладывают основу жизни и играют важнейшую роль в размножении, росте и физиологической регуляции именно белки, а не нуклеиновые кислоты. Это предположение коренится в представлениях биолога Томаса Генри Гексли, того самого «бульдога Дарвина», который считал, что источник всех качеств живой материи – это протоплазма, живая часть клетки. Белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот, составляют заметную долю структуры живой клетки, в то время как нуклеиновые кислоты, что явствует из их названия, были обнаружены в ядрах клеток – nuclei.

Первые работы о структуре и составе нуклеиновых кислот, которыми занимался биохимик Фоэбус Левен (родившийся в России под именем Фишель Аронович Левин. – Прим. перев.) не помогли пробудить интерес к этим молекулам. Хуже того, эти исследования привели к прямо противоположному результату. Левен сумел отличить дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) от рибонуклеиновой кислоты (РНК) и выявить некоторые их качества. Однако его изыскания оставляли впечатление, что это довольно-таки простые и неинтересные вещества, неспособные играть важную и сложную роль руководителей роста и размножения. По словам цитолога Эдмунда Бичера Уилсона: «Нуклеиновые кислоты клеточного ядра в целом отличаются удивительным однообразием… В этом отношении они представляют собой прямую противоположность белкам: белки, и простые, и сложные, неистощимо разнообразны».

Подобные взгляды были приняты на протяжении всех сороковых годов. К тому времени уже стало известно, что ДНК состоит из неразветвленной цепочки единиц, получивших название нуклеотидов. Сами нуклеотиды также представлялись довольно несложными: каждый состоял из трех частей – фосфатной группы (атом фосфора, соединенный с четырьмя атомами кислорода), пятиатомного сахара и одного из четырех азотистых оснований. Эти четыре основания – это моноциклические цитозин и тимин (у которых одно кольцо) и бициклические аденин и гуанин (у которых кольцо двойное) (см. илл. 13). Однако даже в 1951 году еще не было известно, какова структура нуклеотидов на самом деле, как именно соединяются друг с другом их составные части и какова природа связей между самими нуклеотидами. Хотя все это с химической точки зрения было довольно занимательно, к концу 1951 года большинство генетиков все еще считали, что роль ДНК, в сущности, сводится к структурной и она, вероятно, не связана прямо с наследственностью, а служит своего рода подпоркой для более сложных белков. Само по себе это было странно, поскольку еще в 1944 году была опубликована статья, в которой биологи Освальд Эвери, Колин Маклеод и Маклин Маккарти представили солидные экспериментальные свидетельства того, что генетический материал живых клеток состоит из ДНК. Эвери с коллегами вырастили большое количество болезнетворных бактерий, затем сумели разложить их на биохимические составляющие и сделали вывод, что именно молекулы ДНК, а не белки и не жиры, отвечают за то, чтобы превращать неболезнетворных бактерий в болезнетворные. В мае 1943 года Эвери написал своему брату Рою письмо, где рассказывал о результатах своих исследований, и в заключение добавил: «Вот, собственно, и все, Рой, и я не знаю, правда это или нет, однако мы отлично поработали и повеселились на славу». Причина, по которой результатам Эвери не уделили должного внимания, вероятно, состоит в том, что поскольку ни один из трех ученых не был генетиком, свои выводы они формулировали до того осторожно, что многие биологи и биохимики так и не смогли оценить всего их масштаба. Вывод статьи гласил: «Даже если бесспорно, вне всяких сомнений доказать, что преобразующая активность материала, описанного в этой статье, и в самом деле имманентно присуща нуклеиновой кислоте, все же при изучении специфически биологического аспекта ее воздействия следует опираться на химические основания». Осторожный читатель должен был принять в расчет и краткий итог статьи: «Полученные данные… свидетельствуют, что в пределах данного метода активная фракция не содержит никакого белка, который можно было бы продемонстрировать… и состоит в основном, а может быть, и исключительно из высокополимеризованной вязкой формы дезоксирибонуклеиновой кислоты».

Полинг был знаком с работой Эвери, однако даже он в более позднем интервью признался, что в то время не поверил, что ДНК имеет такое прямое отношение к наследственности: «Я знал о доводах в пользу того, что ДНК – это наследственный материал. Однако я с этой идеей не был согласен – понимаете, мне так нравились белки, что я считал, что наследственный материал – это именно они, а не нуклеиновые кислоты». Химик Питер Полинг, сын Лайнуса, также подтверждал, что точка зрения его отца была именно такова. В короткой статье, написанной в 1973 году, Питер писал: «Для моего отца нуклеиновые кислоты были просто интересными химическими соединениями, примерно как хлорид натрия [обычная поваренная соль]: оба эти вещества интересны, с обоими связаны интересные структурные задачи».

Тем не менее к концу 1951 года появилась незаурядная статья биохимика Эдварда Ронвина, который тогда работал в Беркли, и Полинг так ею заинтересовался, что тут же приступил к решительным действиям. Статья Ронвина была озаглавлена «Остаток фосфорной кислоты в нуклеиновых кислотах» и вышла в ноябре 1951 года. В ней Ронвин предложил новый «дизайн» ДНК, при котором каждый атом фосфора связывается с пятью атомами кислорода, а Полинг – химик-структуралист до мозга костей – был полностью убежден, что он может быть связан только с четырьмя. Рассерженный Полинг (совместно с химиком Вернером Шомакером) мгновенно ответил краткой заметкой, адресованной редактору «Journal of the American Chemical Society», в которой первым делом заявил: «При описании гипотетической структуры вещества прежде всего надо следить, чтобы структурные элементы, на которые опирается гипотеза, не противоречили действительности». Заключение Полинга и Шомакера было еще язвительнее: «Объединение пяти атомов кислорода вокруг каждого атома фосфора настолько невероятно», писали они, что предполагаемая формула ДНК «не стоит дальнейшего рассмотрения». Ронвин сердито ответил, что есть и другие вещества, где атом фосфора соединяется с пятью атомами кислорода. Полинг и Шомакер были вынуждены отозвать это замечание, высказанное в крайне резких выражениях, однако продолжали настаивать, и совершенно справедливо, что структуры подобного типа крайне чувствительны к влаге, а значит, они не слишком вероятные кандидаты на роль структуры ДНК. Этот спор ничего бы не значил, но он натолкнул Полинга на размышления о том, как может быть устроена ДНК. Чтобы добиться прогресса, ему нужны были высококачественные снимки рентгеновской дифракции ДНК, поскольку опубликованы были только очень старые снимки, которые сделали Уильям Астбери и Флоренс Белл в 1938–39 годах. К сожалению, получить хорошие рентгеновские снимки было не так-то просто. В начале пятидесятых в Калифорнийском технологическом институте сделали новые снимки, однако – хотите верьте, хотите нет – они были даже хуже качеством, чем у Астбери и Белл. Пока Полинг рассматривал варианты дальнейших действий, он услышал, что Морис Уилкинс из Королевского колледжа в Лондоне получил какие-то «хорошие волоконные изображения нуклеиновой кислоты». Полинг решил, что терять ему нечего, и написал Уилкинсу, чтобы узнать, готов ли тот поделиться полученными изображениями. Однако Полинг не знал, что в Великобритании началась настоящая «гонка за ДНК».