УИЛКИНС, МОРИС ХЬЮ ФРЕДЕРИК

УИЛКИНС, МОРИС ХЬЮ ФРЕДЕРИК (Wilkins, Maurice Hugh Frederick) (1916–2004) (Великобритания). Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 (вместе с Ф.Криком и Дж.Уотсоном).

Родился 15 декабря 1916 в Понгароа, Новая Зеландия. Его родители школьный доктор Эдгар Генри Уилкинс и Эвелин Констанс Джейн Уиттекер были переселенцами из Ирландии. В 6 лет переехал в Англию. Получил образование в Школе короля Эдуарда в Бирмингеме. Изучал физику в Колледже Св. Джона в Кембридже и в 1938 получил первую ученую степень. Отправился в Бирмингемский университет, где стал ассистентом на кафедре физики и изучал люминесценцию твердых тел. Докторскую степень получил в 1940 за диссертацию по температурной стабильности пойманных электронов в люминофорах и по теории фосфоресценции. Его идеи нашли применение 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 Манхэттэнском проекте.

В 1945 после окончания войны был лектором по физике в университете Cв. Эндрю в Шотландии, где был организован курс биофизики. Биофизические исследования привели Уилкинса в 1946 в Кингс-колледж в Лондоне. Там он вошел в группу биофизики, организованную Советом по научным исследованиям. Сначала занимался генетическими эффектами ультразвука, но через два года перешел к разработке зеркальных ультрафиолетовых микроскопов для микроспектрофотометрии нуклеиновых кислот в клетках. Изучал также ориентацию пуринов и пиримидинов в вирусе табачной мозаики. Тогда же начал изучать дифракцию рентгеновского излучения в ДНК спермы. Это привело его к решению проблемы строения нуклеиновых кислот.

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 (лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине, (1910), сообщил, 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 О.Хаммарстеном (O.Hammarsten), а первые нуклеозиды, (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 которой нуклеозидные единицы соединены повторяющимися фосфодиэфирными связями между 3' и 5'-гидроксильными группами соседних нуклеозидов. Руководствуясь предложенной схемой, он осуществил в 1957 первый синтез динуклеотида.

Далее была сформулирована концепция «один ген – один белок» (Джордж Уэллс Бидл – George Wells Beadle, 1903–1989 и Эдуард Лаури Тейтем – Edward Lawrie Tatum, 1909–1975) (Нобелевская премия по физиологии и медицине,1958), и был расшифрован генетический код (Роберт У.Холли – Robert W.Holley, 1922–1993), Корана и 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 свести эти детали воедино, чтобы получилась структурная формула ДНК.

Наибольшими шансами на успех обладал американец Л.Полинг (Нобелевская премия по химии, 1954, и Нобелевская премия мира, 1962. В начале 1950-х Полинг сосредоточил свое внимание на дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и опубликовал статью, в которой представил ее структуру в виде тройной спирали. Возможно, 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 (оба – Нобелевская премия по физике, 1915) создали метод рентгеноструктурного анализа, суть которого состояла в том, что любое вещество в кристаллической форме может быть подвергнуто воздействию рентгеновскиех лучей (под определенным углом) – полученная рентгенограмма позволяет судить о структуре молекулы.

Такие рентгенограммы для молекулы ДНК были получены Р.Франклин (R.Franklin, 1921–1958) в Кингс-колледже Лондонского университета. Анализируя их, руководитель работ 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.

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. К ним присоединился биолог – американец Дж. Уотсон.

Наладив сотрудничество, Уотсон и Крик в течение 1951–1953 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 связаны двойной или простой связью. Форма с двойной связью при кислороде – кетонная, а с простой – енольная. Обычно раньше рассматривалась только вторая, но она не могла реализовать комплементарную структуру с водородными связями в парах аденин – тимин и гуанин – цитозин. Эти 3 нуклеиновых основания существуют в кетонной форме, с двойными связями у атомов кислорода, но именно такие формы и могут давать комплементарные пары за счет водородных связей между ними. Как только это стало ясно, им удалось получить желаемый результат.

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. 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». Перед тем, как отправить, они показали статью 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 Уилкинсу вместе с Ф.Криком и Дж. Уотсоном была присуждена Нобелевская премия 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.

Прочтение кода, которым в молекуле ДНК записана последовательность аминокислотных остатков в будущей белковой молекуле, стало возможным после того, как в 1961 М.Ниренберг (Нобелевская премия, 1968 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.

В 1950 Уилкинс – помощник директора Медицинского исследовательского совета при Кингс-колледже, а с 1955 по 1980 – директор.

В том же Кингс-коледже Уилкинс был сначала профессором молекулярной биологии (1970–1981), затем биофизики и, наконец, заслуженным профессором. Он публиковал статьи по технике микроскопии и цитохимическим исследованиям.

Коллекционировал скульптуры и любил работать в саду.

Pаботы: 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; The molecule structure of deoxyribonucleic acid (DNA) // J. Chim. Phys. 1961. V. 58.

Умер 6 октября 2004 в Лондоне.

Кирилл Зеленин