КРИК, ФРЕНСИС ХАРРИ КОМПТОН

КРИК, ФРЕНСИС ХАРРИ КОМПТОН (Crick, Francis Harry Compton), (1916–2004) (США). Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1962 (совместно с Дж.Уотсоном и М.Уилкинсом).

Родился 8 июня 1916 в Нортхемптоне, Англия, старший ребенок в семье Гарри Крика и Энни Элизабет. Его брат А.Ф.Крик стал врачом и работал в Новой Зеландии. Крик получил образование в начальной школе Нортхемптона, а также в школе Милл Хилл в Лондоне. Изучал физику в колледже Лондонского университета, где получил степень бакалавра в 1937, 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 Крик прочел книгу Шрёдингера (Нобелевская премия по физике, 1933) Что такое жизнь с точки зрения физики? Взгляды Шрёденгера произвели на Крика такое впечатление, что он решил оставить физические исследования и заняться биологией. До этого он не изучал биологию, не был основательно знаком и с органической химией, тем более с кристаллографией, так что последующие годы он потратил на изучение этих предметов.

В 1947 Крик оставил Адмиралтейство, но прежде занялся общей теорией дифракции рентгеновскихх лучей спиральными структурами и одновременно с Л.Полингом (Нобелевские премии по химии, 1954, и мира, 1962) предположил, что дифракционная картина альфа-кератина определялась альфа-спиралями, обернутыми одна вокруг другой.

На стипендию Совета по медицинским исследованиям и при финансовой поддержке семьи Крик отправился в Кембридж работать в Научно-исследовательской лаборатории. В 1949 он присоединился к группе ученых, созданной Советом по медицинским исследованиям и возглавляемой М.Перуцем (Нобелевская премия по химии, 1962) в Кавендишской лаборатории в Кембридже. В 1950 Крик повторно стал аспирантом, на этот раз в колледже Каиус в Кембридже и в 1954 получил докторскую степень за диссертацию, посвященную дифракции рентгеновских лучей в полипептидах и белках.

В 1953–1954 Крик принял участие в проекте исследования структуры белка в Бруклинском политехническом институте в Нью-Йорке. Дважды читал лекции в Гарвардском университете в качестве приглашенного профессора и посетил многие другие лаборатории в США.

В 1951он познакомился с Уотсоном и вместе они в 1953 обратились к анализу структуры ДНК.

Еще в 1868 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 (подробные данные были опубликованы в 1890, уже после смерти Мишера).

Термин «нуклеиновые кислоты» был предложен немцем Рихардом Альтманом (Richard Altmann, 1852–1901) в 1889, он же разработал первый удобный и общий способ выделения нуклеиновых кислот, свободных от белковых примесей.

В 1891 Альбрехт Коссель (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1910) установил, что в продуктах кислотного гидролиза нуклеиновой кислоты находятся фосфорная кислота, аденин, гуанин и некие углеводы. Природа этих углеводов, рибозы и дезоксирибозы, была выяснена лишь к 1929.

Ф.А.Т.Левин (Ph.A.Th.Levene) в 1909 показал, что в состав нуклеиновых кислот входят гуанин, аденин, урацил и цитозин.

Первый нуклеотид, входящий в состав рибонуклеиновых кислот, был выделен в 1893 Хаммарстеном (O.Hammarsten) Первые нуклеозиды, т.е. соединения углеводов с нуклеиновыми основаниями, были обнаружены в природе Левином и У.A.Джейкобсом (W.A.Jacobs) в начале 20 в.

Нуклеиновые кислоты не привлекали внимание исследователей до тех пор, пока в 1940 Торнбьёрн Касперссон (Tornbjörn Caspersson) (Швеция) и Ж.Л.Браше (J.L.Brachet) (Бельгия) не предположили, что рибонуклеиновые кислоты необходимы для синтеза белка в клетке. В 1944 Освальд Теодор Эйвери (Oswald Theodore Avery, 1877–1955) с сотрудниками (США) показали, что генетический материал состоит из ДНК.

Это определило интерес к нуклеиновым кислотам А.Тодда (Нобелевский лауреат по химии, 1957), который вместе с другим английским химиком Д.М.Брауном (D.M.Brown) предложил основную схему строения рибонуклеиновых кислот, согласно котороой нуклеозидные единицы соединены повторяющимися фосфодиэфирными связями между 3' и 5'-гидроксильными группами соседних нуклеозидов. Руководствуясь предложенной схемой, он впервые синтезировал в 1957динуклеотид.

Далее Джордж Уэллс Бидл (George Wells Beadle, 1903–1989) и Эдуард Лаури Тейтем – (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1958) сформулировали концепцию «один ген – один белок». Был расшифрован генетический код (Роберт У.Холли – Robert W.Holley, 1922–1993, Корана и Маршалл У.Ниренберг, Нобелевская премия, 1968).

В 1938 Уильям Т.Астбери (William Т.Astbury) известный тем, что ввел в научный обиход термин «молекулярная биология» и Флориан Белл (Florian Bell) поняли, что в молекуле ДНК плоскости азотистых оснований должны располагаться параллельно друг другу, одно основание над другим. В 1950 американец Э.Чаргафф (E.Chargaff) показал, что количество аденина в молекуле ДНК равно количеству тимина, а количество гуанина – количеству цитозина. 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.

Наибольшими шансами на успех обладал американец Л.Полинг. В начале 1950-х Полинг сосредоточил свое внимание на дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и опубликовал статью, в которой представил ее структуру в виде тройной спирали.

Для правильного решения проблемы ему не хватало высококачественных рентгенограмм молекулы ДНК. Еще в 1913–1914 англичане, отец и сын Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоренс Брэгг (Нобелевские лауреаты по физике, 1915) создали метод рентгеноструктурного анализа, суть которого состояла в том, что любое вещество в кристаллической форме может быть подвергнуто воздействию рентгеновских лучей (под определенным углом), а полученная рентгенограмма позволяет судить о структуре молекулы.

Такие рентгенограммы для молекулы ДНК были получены Р.Франклин (R.Franklin, 1921–1958) в Кингс-коледже Лондонского университета. Анализируя их, руководитель работ М.Уилкинс представлял себе молекулу ДНК в виде двойной или тройной спирали, состоящей из молекул сахара (дезоксирибозы) и остатков фосфорной кислоты, однако они не укладывались в спираль, поэтому структурную формулу ДНК никак не удавалось построить.

Крик заинтересовался решением проблемы. Препятствием было то, что группа Перуца (Нобелевская премия по химии за 1962), к которой принадлежал Крик, занимались белками, а не ДНК, поэтому интерес Крика оставался чисто теоретическим до его встречи с Дж. Уотсоном, приехавшим в Кембридж.

Быстро наладив сотрудничество, они в течение 1951–1953-х 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 енольной, а не в кетонной форме.

Входящие в состав ДНК гуанин, цитозин и тимин (но не аденин) имеют на периферии их циклов атомы кислорода и ряд двойных связей. Эти двойные связи могут перемещаться в молекуле так, что периферийные атомы кислорода будут или связаны двойной связью, или простой. Форма с двойной связью при кислороде будет кетонной, а с простой – енольной. Обычно раньше рассматривали только вторую, но она не способна к реализации комплементарной структуры с водородными связями в парах аденин – тимин и гуанин – цитозин.

На самом деле указанные 3 нуклеиновых основания существуют в кетоннойформе, с двойными связями у атомов кислорода. Но именно такие формы и могут давать комплементарные пары счет водородных связей между ними.

Как только это стало, так и удалось получить желаемый результат. Изготовив из картона модели в нужной форме, Уотсон складывал их на столе в различных сочетаниях и обнаружил, что пара аденин – тимин имеет такую же форму и размеры, что и пара гуанин – цитозин. Это позволяло уложить пары внутрь двойной спирали подобно ступенькам винтовой лестницы. После нескольких консультаций и проверки некоторых деталей Уотсон и Крик в начале 1953 отправили статью в журнал «Nature». В статье была фраза: «Мы вполне отдаем себе отчет в том, что установленное нами специфическое спаривание непосредственно указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности».

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»).

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 Розалинд Франклин умерла от рака в возрасте 37 лет.

В 1962 Крик с Дж. Уотсоном и М. Уилкинсом получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие ими молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения в передаче информации в живой материи».

Открытие структуры нуклеиновых кислот сразу же подтолкнуло химиков-синтетиков к попытке создать их «в пробирке». Уже в 1955 это удалось С.Очоа в отношении РНК и в 1957-м – А.Корнбергу в отношении ДНК. 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 разрабатывала 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 21 в., развитие биологии видится отчетливо делящимся на два периода – до и после двойной спирали. Она стала 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, главное, приблизило человечество к пониманию самого происхождения жизни.

В дальнейшем Крик и Уотсон предложили общую теорию структуры малых вирусов. Крик продолжил работать в области биохимии и генетики белкового синтеза (адаптерная гипотеза) и расшифровки генетического кода.

В 1961 Крик доказал, что группа из трех нуклеиновых оснований (кодон) одной из спиралей ДНК определяет природу аминокислоты в цепи синтезируемой молекулы белка. Он также участвовал в решении строения каждого кодона, который отвечает за синтез каждой 20 аминокислот молекулы белка. Прочтение кода стало возможным после того, как в 1961 М.Ниренберг и Г.Матеи (H.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.

С 1977 Крик – заслуженный профессор Института биологических наук Солка в Сан-Диего, Калифорния.

Умер 28 июля 2004 в Сан-Диего (США, шт. Калифорния).

Pаботы: Structure for deoxyribose nucleic acid. – Nature. 1953. V. 171. P. 737 (with J. D. Watson); Строение вещества наследственности. – Физика и химия жизни. М., 1960; Генетический код (I). – Структура и функция клетки. М., 1964; Life Itself: Its Origin and Nature. New York, 1981.

Кирилл Зеленин