Crick se zajímal o dva základní nevyřešené problémy biologie: jak molekuly přecházejí z neživého do živého a jak mozek vytváří vědomí. Uvědomil si, že díky svému vzdělání má větší kvalifikaci pro výzkum prvního tématu a pro obor biofyziky. Právě v době Crickova přechodu od fyziky k biologii ho ovlivnili Linus Pauling i Erwin Schrödinger. Teoreticky bylo jasné, že kovalentní vazby v biologických molekulách mohou zajistit strukturní stabilitu potřebnou k udržení genetické informace v buňkách. Experimentální biologii zbývalo jen zjistit, která molekula je přesně tou genetickou molekulou. Podle Crickova názoru teorie Charlese Darwina o evoluci přírodním výběrem, genetika Gregora Mendela a poznatky o molekulární podstatě genetiky v kombinaci odhalily tajemství života. Crick měl velmi optimistický názor, že život bude velmi brzy vytvořen ve zkumavce. Někteří lidé (například kolegyně a badatelka Esther Lederbergová) si však mysleli, že Crick je nepřiměřeně optimistický
Bylo jasné, že genetickou molekulou bude pravděpodobně nějaká makromolekula, například protein. Bylo však dobře známo, že proteiny jsou strukturní a funkční makromolekuly, z nichž některé provádějí enzymatické reakce buněk. Ve 40. letech 20. století byly nalezeny určité důkazy, které ukazovaly na jinou makromolekulu, DNA, druhou hlavní složku chromozomů, jako na kandidáta na genetickou molekulu. V experimentu Avery-MacLeod-McCarty z roku 1944 Oswald Avery a jeho spolupracovníci prokázali, že dědičný fenotypový rozdíl lze u bakterií vyvolat tím, že jim poskytneme určitou molekulu DNA.
Jiné důkazy však byly interpretovány tak, že DNA je strukturně nezajímavá a možná je jen molekulárním lešením pro zdánlivě zajímavější molekuly proteinů. Crick byl ve správný čas (1949) na správném místě, ve správném rozpoložení a připojil se k projektu Maxe Perutze na univerzitě v Cambridge a začal pracovat na rentgenové krystalografii proteinů. Rentgenová krystalografie teoreticky nabízela možnost odhalit molekulární strukturu velkých molekul, jako jsou proteiny a DNA, ale tehdy existovaly vážné technické problémy, které bránily tomu, aby se rentgenová krystalografie dala použít pro tak velké molekuly.
1949-1950Edit
Crick se sám naučil matematickou teorii rentgenové krystalografie. V době Crickova studia rentgenové difrakce se vědci v cambridgeské laboratoři pokoušeli určit nejstabilnější šroubovicovou konformaci řetězců aminokyselin v bílkovinách (alfa šroubovice). Linus Pauling jako první určil poměr 3,6 aminokyselin na jeden závit šroubovice alfa. Crick byl svědkem toho, jakých chyb se jeho spolupracovníci dopouštěli při neúspěšných pokusech o vytvoření správného molekulárního modelu alfa šroubovice; ukázalo se, že jde o důležité poznatky, které lze v budoucnu uplatnit na šroubovicovou strukturu DNA. Poznal například význam strukturní tuhosti, kterou molekulárním strukturám propůjčují dvojné vazby, což je důležité jak pro peptidové vazby v bílkovinách, tak pro strukturu nukleotidů v DNA.
1951-1953: Crick se v letech 1951 a 1952 spolu s Williamem Cochranem a Vladimírem Vandem podílel na vývoji matematické teorie difrakce rentgenového záření šroubovicovou molekulou. Tento teoretický výsledek se dobře shodoval s rentgenovými daty pro proteiny, které obsahují sekvence aminokyselin v konformaci alfa šroubovice. Teorie šroubovicové difrakce se ukázala být užitečná i pro pochopení struktury DNA.
Koncem roku 1951 začal Crick pracovat s Jamesem Watsonem v Cavendishově laboratoři na univerzitě v anglické Cambridgi. Na základě „fotografie 51“ (výsledků rentgenové difrakce Rosalindy Franklinové a jejího postgraduálního studenta Raymonda Goslinga z King’s College London, které jim poskytl Gosling a Franklinův kolega Wilkins) Watson a Crick společně vypracovali model šroubovicové struktury DNA, který publikovali v roce 1953. Za tuto a následnou práci jim byla v roce 1962 společně s Wilkinsem udělena Nobelova cena za fyziologii nebo lékařství.
Když Watson přišel do Cambridge, Crick byl 35letý postgraduální student (kvůli práci během druhé světové války) a Watsonovi bylo teprve 23 let, ale už získal doktorát. Sdíleli zájem o základní problém poznání, jak by mohla být genetická informace uložena v molekulární formě. Watson a Crick donekonečna hovořili o DNA a o myšlence, že by bylo možné odhadnout dobrý molekulární model její struktury. Klíčové informace získané experimentálně pocházely z rentgenových difrakčních snímků, které získali Wilkins, Franklin a Gosling. V listopadu 1951 přijel Wilkins do Cambridge a podělil se o svá data s Watsonem a Crickem. Alexander Stokes (další odborník na teorii šroubovicové difrakce) a Wilkins (oba z King’s College) dospěli k závěru, že rentgenová difrakční data DNA naznačují, že molekula má šroubovicovou strukturu – ale Franklin tento závěr vehementně zpochybňoval. Podníceni diskusí s Wilkinsem a tím, co se Watson dozvěděl, když se zúčastnil přednášky Franklinové o její práci na DNA, Crick a Watson vytvořili a předvedli chybný první model DNA. Jejich spěch s vytvořením modelu struktury DNA byl částečně veden vědomím, že soupeří s Linusem Paulingem. Vzhledem k Paulingovu nedávnému úspěchu při objevu alfa šroubovice se obávali, že by Pauling mohl být také prvním, kdo určí strukturu DNA.
Mnozí spekulovali o tom, co by se stalo, kdyby Pauling mohl odcestovat do Británie, jak plánoval v květnu 1952. Jak se stalo, jeho politické aktivity způsobily, že jeho cesta byla vládou Spojených států omezena a on navštívil Velkou Británii až později, přičemž v té době se v Anglii nesetkal s žádným z výzkumníků DNA. V každém případě se v té době zabýval proteiny, nikoli DNA. Watson a Crick na DNA oficiálně nepracovali. Crick psal svou doktorskou práci; Watson měl také jinou práci, například se snažil získat krystaly myoglobinu pro rentgenové difrakční experimenty. V roce 1952 Watson provedl rentgenovou difrakci viru tabákové mozaiky a zjistil výsledky naznačující, že má šroubovicovou strukturu. Poté, co Watson a Crick jednou neuspěli, se nyní poněkud zdráhali pokusit se o to znovu a na nějakou dobu jim bylo zakázáno vyvíjet další úsilí o nalezení molekulárního modelu DNA.
Velký význam pro Watsonovo a Crickovo úsilí o vytvoření modelu mělo pochopení Rosalindy Franklinové v oblasti základní chemie, které naznačovalo, že hydrofilní páteře nukleotidových řetězců DNA obsahující fosfáty by měly být umístěny tak, aby interagovaly s molekulami vody na vnější straně molekuly, zatímco hydrofobní báze by měly být zabaleny do jádra. Franklinová se o tyto chemické poznatky podělila s Watsonem a Crickem, když je upozornila, že jejich první model (z roku 1951, s fosfáty uvnitř) je zjevně chybný.
Crick označil to, co považoval za selhání Wilkinse a Franklinové při spolupráci a práci na nalezení molekulárního modelu DNA, za hlavní důvod, proč se o to s Watsonem nakonec pokusili podruhé. Požádali o svolení k této činnosti Williama Lawrence Bragga i Wilkinse a toto svolení obdrželi. Při konstrukci svého modelu DNA využili Watson a Crick informace z nepublikovaných Franklinových rentgenových difrakčních snímků (které Wilkins ukazoval na setkáních a volně sdílel), včetně předběžných popisů Franklinových výsledků/fotografií rentgenových snímků, které byly zahrnuty do písemné zprávy o pokroku pro laboratoř sira Johna Randalla na King’s College z konce roku 1952.
Je předmětem diskuse, zda Watson a Crick měli mít přístup k výsledkům Franklinové bez jejího vědomí nebo svolení a předtím, než měla možnost formálně zveřejnit výsledky své podrobné analýzy dat z rentgenové difrakce, které byly zahrnuty do zprávy o pokroku. Watson a Crick však shledali chybu v jejím neústupném tvrzení, že podle jejích údajů není šroubovicová struktura jediným možným tvarem DNA – měli tedy dilema. Ve snaze vyjasnit tuto otázku Max Ferdinand Perutz později zveřejnil, co bylo ve zprávě o pokroku, a naznačil, že ve zprávě není nic, co by Franklinová sama neřekla ve své přednášce (které se zúčastnil Watson) koncem roku 1951. Perutz dále vysvětlil, že zpráva byla určena výboru Rady pro lékařský výzkum (MRC), který byl vytvořen za účelem „navázání kontaktu mezi různými skupinami lidí pracujících pro Radu“. Randallova i Perutzova laboratoř byly obě financovány MRC.
Není také jasné, jak důležité byly Franklinovy nepublikované výsledky ze zprávy o pokroku ve skutečnosti pro tvorbu modelu, kterou prováděli Watson a Crick. Poté, co byly ve 30. letech 20. století pořízeny první hrubé rentgenové difrakční snímky DNA, hovořil William Astbury o hromádkách nukleotidů rozmístěných v DNA v intervalech 3,4 angströmů (0,34 nanometrů). Citace Astburyho dřívější práce o rentgenové difrakci byla jedním z pouhých osmi odkazů ve Franklinově prvním článku o DNA. Analýza Astburyho publikovaných výsledků o DNA a lepších rentgenových difrakčních snímků získaných Wilkinsem a Franklinem odhalila šroubovicovou povahu DNA. Bylo možné předpovědět počet bází poskládaných v rámci jedné otáčky šroubovice DNA (10 na jednu otáčku; plná otáčka šroubovice má 27 úhlových stupňů v kompaktní formě A, 34 úhlových stupňů ve vlhčí formě B). Wilkins se o tuto informaci o formě B DNA podělil s Crickem a Watsonem. Crick viděl Franklinovy rentgenové snímky formy B (foto 51) až po zveřejnění modelu dvojité šroubovice DNA.
Jeden z mála odkazů, které Watson a Crick uváděli při zveřejnění svého modelu DNA, se týkal publikovaného článku, který obsahoval model DNA Svena Furberga, který měl báze na vnitřní straně. Watsonův a Crickův model tedy nebyl prvním modelem „bází uvnitř“, který byl navržen. Furbergovy výsledky také poskytly správnou orientaci cukrů DNA vzhledem k bázím. Během sestavování modelu Crick a Watson zjistili, že pro orientaci párů bází ve středu dvojité šroubovice je nejlepší antiparalelní orientace obou páteří nukleotidových řetězců. Právě díky přístupu k Franklinově zprávě o pokroku z konce roku 1952 si byl Crick jistý, že DNA je dvojitá šroubovice s antiparalelními řetězci, ale existovaly i další řetězce úvah a zdroje informací, které k těmto závěrům vedly.
V důsledku odchodu z King’s College na Birkbeck College byl Franklin požádán Johnem Randallem, aby se vzdal své práce na DNA. Když bylo Wilkinsovi a nadřízeným Watsona a Cricka jasné, že Franklin odchází na nové pracoviště a že Linus Pauling pracuje na struktuře DNA, byli ochotni sdílet Franklinova data s Watsonem a Crickem v naději, že se jim podaří najít dobrý model DNA dříve, než se to podaří Paulingovi. Franklinova data z rentgenové difrakce DNA a její systematická analýza strukturních vlastností DNA byla pro Watsona a Cricka užitečná a nasměrovala je ke správnému molekulárnímu modelu. Klíčovým problémem pro Watsona a Cricka, který nemohly vyřešit údaje z King’s College, bylo odhadnout, jak se nukleotidové báze zabalí do jádra dvojité šroubovice DNA.
Dalším klíčem k nalezení správné struktury DNA byly takzvané Chargaffovy poměry, experimentálně stanovené poměry nukleotidových podjednotek DNA: množství guaninu je rovno cytosinu a množství adeninu je rovno thyminu. Návštěva Erwina Chargaffa v Anglii v roce 1952 posílila význam této důležité skutečnosti pro Watsona a Cricka. Význam těchto poměrů pro strukturu DNA si uvědomili až ve chvíli, kdy Watson, který vytrvale budoval strukturní modely, zjistil, že dvojice A:T a C:G jsou si strukturně podobné. Zejména délka každého páru bází je stejná. Chargaff také Watsona upozornil, že ve vodném, solném prostředí buňky budou převládajícími tautomery pyrimidinových (C a T) bází aminová a keto konfigurace cytosinu a thyminu, a nikoli imino a enolová forma, jak předpokládali Crick a Watson. Konzultovali to s Jerrym Donohueem, který potvrdil nejpravděpodobnější struktury nukleotidových bází. Páry bází drží pohromadě vodíkové vazby, tedy stejné nekovalentní interakce, které stabilizují α-helix bílkovin. Správné struktury byly nezbytné pro umístění vodíkových vazeb. Tyto poznatky vedly Watsona k odvození skutečných biologických vztahů párů A:T a C:G. Po objevu párů A:T a C:G s vodíkovými vazbami měli Watson a Crick brzy k dispozici svůj antiparalelní, dvoušroubovicový model DNA, přičemž vodíkové vazby v jádru šroubovice zajišťovaly způsob „rozpojení“ obou komplementárních vláken pro snadnou replikaci: poslední klíčový požadavek pro pravděpodobný model genetické molekuly. Jakkoli byl Crickův přínos k objevu dvoušroubovicového modelu DNA významný, prohlásil, že bez možnosti spolupracovat s Watsonem by sám tuto strukturu neobjevil.
Crick se sice nesměle pokusil provést některé experimenty s párováním bází nukleotidů, ale byl spíše teoretickým biologem než experimentálním biologem. Počátkem roku 1952 došlo k dalšímu téměř objevu pravidel párování bází. Crick začal uvažovat o interakcích mezi bázemi. Požádal Johna Griffitha, aby se pokusil vypočítat přitažlivé interakce mezi bázemi DNA z chemických principů a kvantové mechaniky. Griffithův nejlepší odhad byl, že A:T a G:C jsou přitažlivé páry. V té době Crick neznal Chargaffova pravidla a z Griffithových výpočtů si nic nedělal, i když ho to přimělo přemýšlet o komplementární replikaci. Identifikace správných pravidel párování bází (A-T, G-C) dosáhl Watson „hraním si“ s modely nukleotidových bází vystřiženými z kartonu, podobně jako Linus Pauling o několik let dříve objevil proteinovou alfa šroubovici. Watsonův a Crickův objev struktury dvojité šroubovice DNA byl umožněn díky jejich ochotě spojit teorii, modelování a experimentální výsledky (i když většinou provedené jinými), aby dosáhli svého cíle.
Struktura dvojité šroubovice DNA navržená Watsonem a Crickem byla založena na „Watson-Crick“ vazbách mezi čtyřmi bázemi, které se nejčastěji vyskytují v DNA (A, C, T, G) a RNA (A, C, U, G). Pozdější výzkumy však ukázaly, že trojvláknové, čtyřvláknové a další složitější molekulární struktury DNA vyžadují Hoogsteenovo párování bází. Celý obor syntetické biologie započal prací výzkumníků, jako byl Erik T. Kool, v níž se v syntetické DNA používají jiné báze než A, C, T a G. Na základě těchto prací vznikla syntetická DNA. Kromě syntetické DNA existují také pokusy o konstrukci syntetických kodonů, syntetických endonukleáz, syntetických proteinů a syntetických zinkových prstů. Při použití syntetické DNA může být místo 43 kodonů v případě n nových bází až n3 kodonů. V současné době probíhá výzkum, zda lze kodony rozšířit na více než 3 báze. Tyto nové kodony mohou kódovat nové aminokyseliny. Tyto syntetické molekuly lze využít nejen v medicíně, ale i při tvorbě nových materiálů.
Objev byl učiněn 28. února 1953; první článek Watson/Crick vyšel v časopise Nature 25. dubna 1953. Sir Lawrence Bragg, ředitel Cavendishovy laboratoře, kde Watson a Crick pracovali, přednesl ve čtvrtek 14. května 1953 na lékařské fakultě Guy’s Hospital v Londýně přednášku, na jejímž základě vyšel v pátek 15. května 1953 v londýnských novinách News Chronicle článek Ritchieho Caldera s názvem „Proč jste vy. Blízké tajemství života“. Zpráva se následujícího dne dostala ke čtenářům The New York Times; Victor K. McElheny při výzkumu své biografie „Watson a DNA: Watson a Watsonová“, našel výstřižek šestidílného článku v New York Times psaného z Londýna a datovaného 16. května 1953 s titulkem „Forma ‚životní jednotky‘ v buňce je naskenována“. Článek vyšel v jednom z prvních vydání a poté byl stažen, aby uvolnil místo zprávám, které byly považovány za důležitější. (New York Times následně otiskly delší článek 12. června 1953). Univerzitní vysokoškolské noviny Varsity také vydaly svůj vlastní krátký článek o objevu v sobotu 30. května 1953. Braggovo původní oznámení o objevu na Solvayově konferenci o bílkovinách v Belgii 8. dubna 1953 britský tisk nezveřejnil.
V sedmistránkovém, ručně psaném dopise svému synovi do britské internátní školy 19. března 1953 Crick svůj objev vysvětlil, dopis začínal slovy: „Můj milý Michaeli, Jim Watson a já jsme pravděpodobně učinili nejdůležitější objev…“. Dopis byl 10. dubna 2013 vydražen v aukční síni Christie’s v New Yorku s odhadem 1 až 2 miliony dolarů a nakonec se prodal za 6 059 750 dolarů, což je nejvyšší částka, jaká kdy byla za dopis v aukci zaplacena.
Sydney Brenner, Jack Dunitz, Dorothy Hodgkin, Leslie Orgel a Beryl M. Oughton, byli jedni z prvních lidí, kteří v dubnu 1953 spatřili model struktury DNA sestrojený Crickem a Watsonem; v té době pracovali na katedře chemie Oxfordské univerzity. Na všechny nový model DNA udělal dojem, zejména na Brennera, který později pracoval s Crickem v Cambridge v Cavendishově laboratoři a v nové Laboratoři molekulární biologie. Podle zesnulé Dr. Beryl Oughtonové, později Rimmerové, cestovali všichni společně ve dvou autech, jakmile jim Dorothy Hodgkinová oznámila, že se jedou do Cambridge podívat na model struktury DNA. Orgel také později pracoval s Crickem v Salkově institutu pro biologická studia.
Brzy po Crickově smrti se objevila tvrzení o tom, že užil LSD, když přišel na myšlenku šroubovicové struktury DNA. I když téměř jistě LSD užil, je nepravděpodobné, že by tak učinil již v roce 1953.
Molekulární biologieEdit
V roce 1954, ve věku 37 let, Crick dokončil svou doktorskou práci: „Difrakce rentgenového záření: a bílkovin“ a získal titul. Crick poté pracoval v laboratoři Davida Harkera na Brooklynském polytechnickém institutu, kde pokračoval v rozvíjení svých schopností v analýze dat rentgenové difrakce proteinů, přičemž se zabýval především ribonukleázou a mechanismy syntézy proteinů. Amerického rentgenového krystalografa Davida Harkera označil Vittorio Luzzati, krystalograf z Centra molekulární genetiky v Gif-sur-Yvette u Paříže, který pracoval s Rosalindou Franklinovou, za „Johna Wayna krystalografie“.
Po objevu modelu dvojité šroubovice DNA se Crickův zájem rychle obrátil k biologickým důsledkům této struktury. V roce 1953 Watson a Crick publikovali v časopise Nature další článek, v němž uvedli: „
V roce 1956 Crick a Watson spekulovali o struktuře malých virů. Předpokládali, že kulovité viry, jako je například Tomato bushy stunt virus, mají ikosaedrickou symetrii a jsou tvořeny 60 identickými podjednotkami.
Po krátkém pobytu v New Yorku se Crick vrátil do Cambridge, kde pracoval až do roku 1976, kdy se přestěhoval do Kalifornie. Crick se zapojil do několika spoluprací v oblasti rentgenové difrakce, například s Alexandrem Richem se zabýval strukturou kolagenu. Crick se však rychle odklonil od další práce související s jeho odbornými znalostmi v oblasti interpretace rentgenových difrakčních obrazců proteinů.
George Gamow založil skupinu vědců, kteří se zajímali o roli RNA jako prostředníka mezi DNA jako genetickou zásobní molekulou v jádře buněk a syntézou proteinů v cytoplazmě (RNA Tie Club). Crickovi bylo jasné, že musí existovat kód, podle kterého krátká sekvence nukleotidů určí konkrétní aminokyselinu v nově syntetizované bílkovině. V roce 1956 napsal Crick neformální článek o problému genetického kódování pro malou skupinu vědců v Gamowově skupině RNA. V tomto článku Crick zhodnotil důkazy podporující myšlenku, že existuje společná sada přibližně 20 aminokyselin používaných k syntéze bílkovin. Crick navrhl, že existuje odpovídající sada malých „adaptorových molekul“, které se vodíkově vážou na krátké sekvence nukleové kyseliny a také se spojují s jednou z aminokyselin. Zkoumal také mnoho teoretických možností, jak by krátké sekvence nukleových kyselin mohly kódovat 20 aminokyselin.
V polovině až na konci 50. let 20. století se Crick velmi intelektuálně zabýval rozluštěním záhady, jak se syntetizují bílkoviny. V roce 1958 už Crickovo myšlení dozrálo a dokázal přehledně vyjmenovat všechny klíčové rysy procesu syntézy bílkovin:
- genetická informace uložená v sekvenci molekul DNA
- „poselská“ molekula RNA, která přenáší instrukce pro tvorbu jedné bílkoviny do cytoplazmy
- adaptorové molekuly („mohou obsahovat nukleotidy“), které odpovídají krátkým sekvencím nukleotidů v poselských molekulách RNA specifickým aminokyselinám
- ribonukleo-proteinové komplexy, které katalyzují sestavování aminokyselin do proteinů podle posla RNA
Nakonec se ukázalo, že adaptorové molekuly jsou tRNA a katalytické „ribonukleovo-proteinové komplexy“ se začaly nazývat ribozomy. Důležitým krokem bylo pozdější zjištění (v roce 1960), že messengerová RNA není totéž co ribozomální RNA. Nic z toho však neodpovědělo na základní teoretickou otázku, jaká je přesná povaha genetického kódu. Ve svém článku z roku 1958 Crick stejně jako jiní spekuloval, že triplet nukleotidů může kódovat aminokyselinu. Takový kód by mohl být „degenerovaný“, s 4×4×4=64 možnými triplety čtyř nukleotidových podjednotek, zatímco aminokyselin by bylo pouze 20. Některé aminokyseliny by mohly mít více tripletových kódů. Crick zkoumal i jiné kódy, v nichž se z různých důvodů používaly jen některé triplety, čímž „zázračně“ vzniklo právě 20 potřebných kombinací. Bylo zapotřebí experimentálních výsledků; samotná teorie nemohla rozhodnout o povaze kódu. Crick také použil termín „centrální dogma“, aby shrnul myšlenku, z níž vyplývá, že tok genetické informace mezi makromolekulami bude v podstatě jednosměrný:
DNA → RNA → protein
Někteří kritici si mysleli, že použitím slova „dogma“ Crick naznačuje, že se jedná o pravidlo, které nelze zpochybnit, ale ve skutečnosti tím chtěl jen říci, že se jedná o přesvědčivou myšlenku, která nemá mnoho pevných důkazů. Ve svých úvahách o biologických procesech, které spojují geny DNA s proteiny, Crick výslovně rozlišoval mezi použitými materiály, potřebnou energií a tokem informací. Crick se zaměřil na tuto třetí složku (informace) a ta se stala organizačním principem toho, co se začalo nazývat molekulární biologie. Crick se v té době stal velmi vlivným teoretickým molekulárním biologem.
Důkaz, že genetický kód je degenerovaný tripletový kód, nakonec přinesly genetické experimenty, z nichž některé provedl Crick. Podrobnosti o kódu přinesla především práce Marshalla Nirenberga a dalších, kteří syntetizovali syntetické molekuly RNA a používali je jako šablony pro syntézu bílkovin in vitro. Nirenberg poprvé oznámil své výsledky malému publiku v Moskvě na konferenci v roce 1961. Crick reagoval tak, že Nirenberga pozval, aby svou přednášku přednesl před větším publikem.
.