УОТСОН, ДЖЕЙМС ДЕВЕЙ

УОТСОН, ДЖЕЙМС ДЕВЕЙ (Watson, James Dewey) (р. 1928) (США). Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1962 (совместно с Ф.Криком и М.Уилкинсом).

Родился 3 апреля 1928 в Чикаго в семье бизнесмена Джеймса Девея Уотсона и Джин Митчелл. Детство провел в Чикаго, где ходил в Среднюю школу южного берега. В 1943 году он поступил в четырехлетний колледж Чикагского университета. В 1947 получил степень бакалавра зоологии. В эти годы его детский интерес к наблюдениям за птицами перерос в серьезное желание изучать генетику, которое осуществилось, когда Уотсон получил стипендию в университете штата Индиана в Блумингтоне, где он в 1950 получил докторскую степень по зоологии. Именно там на него оказали глубокое влияние генетики Г.Мюллер (Нобелевская премия, 1946) и С.Лурия (Нобелевская премия, 1969). Диссертация Уотсона, выполненная под руководством Лурия, была посвящена изучению эффекта жесткого рентгеновского излучения на размножение бактериофагов.

Лурия считал, что понять природу гена можно не раньше, чем будет установлена химическая структура ДНК, и отправил Уотсона в Европу изучать химию нуклеиновых кислот. В 1950–1951 Уотсон провел год в качестве постдокторанта Национального совета по научным исследованиям в Копенгагене, где снова работал с бактериальными вирусами, пытаясь изучить превращения их ДНК. В 1951 он отправился на Зоологическую станцию в Неаполе. Там на симпозиуме встретил М.Уилкинса и впервые увидел рентгенограмму кристаллической ДНК. Такие рентгенограммы были получены Р. Франклин (R. Franklin, 1921–1958) в Кингс-коледже Лондонского университета. Анализируя их, руководитель этих работ Уилкинс представлял себе молекулу ДНК в виде двойной или тройной спирали, состоящей из молекул сахара (дезоксирибозы) и остатков фосфорной кислоты. Встреча заставила Уотсона изменить направление исследований и перейти к структурной химии нуклеиновых кислот. Лурия договорился, что Уотсон будет работать в Кавендишской лаборатории, куда тот и отправился в октябре 1952.

В то же самое время Уотсон изучал структуру вируса TMV, используя дифракционные рентгеновские методы, и в 1952 доказал, что вирус имеет винтовую конструкцию.

Третьим заинтересованным лицом в решении проблемы строения ДНК был физик Ф. Крик из Кавендишской лаборатории в Кембридже, знакомый с Уилкинсом и его работой. Идея заразила Крика, и быстро наладив сотрудничество, Уотсон и Крик в течение 1951–1953 упорно искали решение проблемы.

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) сообщил, что в продуктах кислотного гидролиза нуклеиновой кислоты есть 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) 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 котороой 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 сделать логическое усилие и свести эти детали воедино так, 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 – лауреаты Нобелевской премии 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) – полученная рентгенограмма позволяет судить о структуре молекулы.

Построив из проволоки двойную спираль выше человеческого роста, Уотсон и Крик 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 связаны двойной или простой связью. Форма с двойной связью при кислороде называется кетонной, а с простой – енольной. Обычно раньше рассматривали только вторую, но она не может 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 рапы 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». В статье была фраза: «Мы вполне отдаем себе отчет в том, что установленное нами специфическое спаривание непосредственно указывает на возможный механизм копирования вещества наследственности».

Уотсон обменивался письмами с М.Дельбрюком (Нобелевская премия по физиологии и медицине, 1969), в которых сообщал чуть ли не каждый свой шаг на пути решения проблемы. Дельбрюк был первым, кому Уотсон сообщил о своем успехе. Вторым был исследователь фагов А.М.Львов (Нобелевская премия, 1958), в лабораторию которого Уотсон отправился с результатами еще до их опубликования в «Nature».

В 1962 Уотсону вместе с Ф.Криком и М.Уилкинсом была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине «за открытие ими молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения в передаче информации в живой материи».

Предложенная Уотсоном и Криком структура 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»).

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.

Создание двойной спирали имело и психологические последствия. Оно заставило многих молодых людей задуматься о возможной научной карьере. Ведь в момент открытия Уотсону было всего только 24 года.

С 1953 по 1955 Уотсон работал в Калифорнийском технологическом институте. В 1955–1956 он, вернувшись в Кавендишевскую лабораторию, продолжил работу с Криком. С 1956 – член биологического факультета Гарвардского университета, сначала как ассистент, а с 1961 – как профессор. В это время он занимался изучением роли РНК в белковом синтезе. Его коллегами в этой области были швейцарский биохимик Альфред Тиссирье (Alfred Tissières), французский биохимик Франсуа Грос (François Gros) и Уолтер Гилберт (Нобелевский лауреат по химии, 1980).

В 1968 Уотсон возглавил лабораторию количественной биологии в Колд-Спринг-Харбор (Лонг-Айленд, Нью-Йорк) и сделал ее мировым центром исследований по молекулярной биологии, сконцентрировав усилия на проблеме рака. С 1988 по 1992 Уотсон сотрудничал с Проектом генома человека, однако ушел в отставку из-за конфликта интересов в вопросе инвестиций этого проекта.

Любит проводить свободное время, прогуливаясь и наблюдая за птицами.

Работы: Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК. М., 1969; Молекулярная биология гена. М., 1978; Рекомбинантные ДНК: Краткий курс. М., 1986 (с Дж. Тузом, Д.Курцем).

Кирилл Зеленин