Тройная спираль

Поездка во Францию подарила Полингу еще одну подсказку, что, вероятно, главный генетический материал – это ДНК. Американский микробиолог Альфред Херши в своем докладе на международной конференции по бактериофагам в Ройомоне под Парижем. Херши и его сотрудница Марта Чейз пометили ДНК и белок бактериофага Т 2 (вируса) радиоактивными фосфором и серой соответственно. Затем они заразили бактерии этим бактериофагом и смогли показать, что генетический материал, заразивший бактерии, был, скорее всего, ДНК, а не белком. Белковая оболочка вируса оставалась вне клетки бактерии и не играла в заражении никакой роли. Это убедило не всех. Да и сам Херши осторожно оговаривался, что еще неясно, имеют ли его результаты какое-либо фундаментальное значение. А вот Джеймс Уотсон, с другой стороны, тоже побывал в Ройомоне – и, уже давно будучи специалистом по ДНК, вполне поверил в эти результаты.

Полинг вернулся к работе над ДНК лишь в конце ноября 1952 года. Подтолкнул его к этому интереснейший семинар, который провел в Калифорнийском технологическом институте биолог Робли Уильямс. Уильямс показал изумительно четкие изображения соли нуклеиновой кислоты – химической родственницы ДНК, – полученные при помощи электронного микроскопа. Для Полинга изображения длинных цилиндрических нитей в сочетании с рентгеновскими снимками Астбери, судя по всему, стали решающим доводом в пользу спиральной модели молекулы – если ему еще требовались решающие доводы. Кроме того, из трудов Александера Тодда, специалиста по органической химии, Полингу было известно, что «каркас» молекулы ДНК состоит из перемежающихся фосфатных и сахарных фрагментов.

Вооружившись снимками Астбери, где был отчетливо виден период примерно в 3,4 ангстрема, Полинг 26 ноября занялся наконец грязной работой: стал подсчитывать параметры структуры ДНК. На основе измерений плотности, проделанных Астбери и Белл, и расчетов диаметра нити, которые проделал Уильямс, Полинг приблизительно оценил, что длина одного остатка по оси волокна составляет 1,12 ангстрем, то есть практически точно треть периода на рентгеновском снимке (3,4 ангстрема). Это и подтолкнуло его к неожиданному выводу: «Цилиндрическая молекула состоит из трех цепочек, обернутых друг вокруг друга… и каждая цепочка формирует спираль». Иначе говоря, Полинг убедил себя, что спираль из двух нитей даст недостаточную плотность, и предпочел архитектуру из трех переплетенных спиралей. Эта структура и стала известна как тройная спираль.

Следующей задачей, с которой предстояло разобраться, была природа собственно «каркаса» конструкции из трех спиральных цепочек. Вопрос состоял в том, какой из трех известных компонентов нуклеотидов (основания, сахара или фосфатные группы) формирует этот «каркас». Полинг и Кори решили прибегнуть к методу исключения.

«По причине разнородности пурино-пиримидиновую группу [основания] невозможно уложить вдоль оси спирали так, чтобы могли создаваться необходимые связи между остатками сахаров и фосфатными группами. Кроме того, маловероятно, чтобы ядро молекулы составляли сахара… форма ее… такова, что плотно уложить подобные группы вдоль оси спирали затруднительно, и не удалось обнаружить никакого приемлемого способа их уложить… Мы делаем вывод, что «ядро» молекулы, вероятно, сформировано из фосфатных групп. (Выделено мной. – М. Л.)»

Теперь общая картина выглядела примерно следующим образом: фосфатные группы были расставлены по оси спирали, их окружали сахара, а основания радиально торчали наружу. Тройная спираль молекулы держалась на водородных связях между фосфатными группами разных цепочек.

Выглядело это многообещающе, однако Полинг заметил и недочеты. Трем цепочкам фосфатов в центре молекулы было так тесно, что это было похоже на соревнование, сколько человек удастся втиснуть в телефонную будку. Полинг знал, что фосфатный ион имеет форму тетраэдра: в центре – атом фосфора, а его окружают четыре атома кислорода, расположенные на вершинах пирамиды. Весь декабрь Полинг, Кори и химик Вернер Шомакер пытались так и сяк сплющить, скрутить и смять эти тетраэдры, чтобы они лучше помещались в структуру молекулы. В процессе Полинг руководствовался той же интуицией, которая недавно обеспечила ему триумфальный успех с альфа-спиралью. Он был убежден, что если ему удастся найти структурно-химическое решение, в целом соответствующее рентгеновским данным, все остальные проблемы решатся сами собой, дайте только срок. Например, оставался вопрос, как такая модель допускает существование натриевой соли ДНК, поскольку места для ионов натрия в центре точно не оставалось. Ответа на этот вопрос Полинг не знал, но предполагал, что ответ придет, как только прояснится общая архитектура. Трудился он не покладая рук, день и ночь. В Рождество он даже собрал коллег в своей лаборатории на неофициальную презентацию модели. К концу месяца он решил, что в целом уловил суть. В последний день 1952 года Полинг и Кори направили в печать статью «Предполагаемая структура нуклеиновых кислот». Начиналась эта статья со слов «Нуклеиновые кислоты как составляющие живых организмов по важности сравнимы с белками». Далее следовало несколько более осторожных фраз.

«Мы предлагаем перспективную модель структуры нуклеиновых кислот… это первая точно описанная модель структуры нуклеиновых кислот, которую предложили исследователи. Структура соответствует некоторым характерным чертам рентгеновских снимков, однако точные расчеты плотности еще предстоит проделать, и правильность этой модели пока нельзя считать доказанной.»

Иначе говоря, некоторые углы еще предстояло загладить, но Полинг хотел установить свое первенство и застолбить участок.

Несмотря на довольно-таки робкую интонацию этой научной статьи, в личном общении Полинг держался гораздо самоувереннее. В письме шотландскому биохимику (впоследствии нобелевскому лауреату) Александеру Тодду, датированном 19 декабря 1952 года, Полинг писал: «Мы считаем, что открыли структуру нуклеиновых кислот. Думаю, что рукопись с описанием этой структуры мы опубликуем примерно через месяц, но я практически уверен, что структура, которую мы открыли, верна… Эта структура очень красива». В тот же день он написал Генри Аллену Моу, президенту фонда Гугенхейма, и повторил эту же фразу: «Я считаю, что открыл структуру нуклеиновых кислот как таковых».

Другой постоянный корреспондент Полинга, его сын Питер, по счастливой случайности, всего за несколько месяцев до этого приехал в Кембридж, чтобы работать под началом Джона Кендрю. У Питера был стол в кабинете, который он делил еще с четырьмя сотрудниками. Вот что он пишет: «Слева, у окна, сидит болтун по имени Фрэнсис Крик. Справа – стол, который иногда занимает Джим Уотсон. Еще в кабинете временно работает Джерри Донохью, которого я хорошо знаю, потому что он давно сотрудничает с Калифорнийским технологическим институтом, и, наконец, Майкл Блюм, младший сотрудник Джона Кендрю». В ту эпоху, до всякой электронной почты, Питер благодаря постоянной переписке с отцом стал основным каналом связи между Калифорнийским технологическим институтом и Кембриджем. Поэтому, как только Лайнус сообщил Питеру, что написал статью о структуре ДНК, тот попросил экземпляр. Это было 13 января 1953 года. В своем письме с просьбой Питер сделал приписку, которая очень красноречиво говорит, под каким давлением работали тогда английские ученые: «Сегодня мне рассказали одну историю. Знаешь, как пугают детей: “Веди себя хорошо, а то придет страшный великан и заберет тебя”. Так вот, уже больше года Фрэнсис [Крик] и все прочие то и дело приговаривают сотрудникам Королевского колледжа, которые занимаются нуклеиновыми кислотами: “Надо постараться как следует, а то нуклеиновыми кислотами, чего доброго, займется Полинг!”»

Неудивительно, что когда Питер рассказал Уотсону и Крику, что Полинг открыл структуру ДНК, у них земля ушла из-под ног. У всех сотрудников Кембриджа еще свежа была память о его триумфе с альфа-спиралью, поэтому молодые люди сразу испугались, не станет ли это катастрофическим дежавю. Двадцать третьего января Питер снова написал Лайнусу, на сей раз с жалобой: «Грустно, что здесь нет Джима Уотсона [Уотсон ненадолго уехал в Милан]. Без него скучно. Нечем заняться. Да и интересных девушек тут нет, только восторженные дурочки, которых интересует исключительно секс, причем так, вообще».

Две недели, которые прошли между тем, как Питер попросил у отца копию статьи, и прибытием рукописи, стали для Уотсона и Крика вечностью. Когда Питер наконец принес статью, Уотсон подскочил к нему, выдернул ее у него из кармана пальто и жадно пробежал краткое содержание и введение. Потом он несколько минут изучал иллюстрации – и глазам своим не верил. Структура, которую предлагал Полинг, с фосфатами в центре и основаниями снаружи, оказалась поразительно похожа на его с Криком нежизнеспособную модель. Модель Полинга была полнейшей нелепицей!