Crick var intresserad av två grundläggande olösta problem inom biologin: hur molekyler gör övergången från icke levande till levande och hur hjärnan skapar ett medvetande. Han insåg att hans bakgrund gjorde honom mer kvalificerad för forskning om det första ämnet och området biofysik. Det var vid denna tid av Cricks övergång från fysik till biologi som han påverkades av både Linus Pauling och Erwin Schrödinger. I teorin stod det klart att kovalenta bindningar i biologiska molekyler skulle kunna ge den strukturella stabilitet som behövs för att hålla kvar den genetiska informationen i cellerna. Det återstod bara som en övning i experimentell biologi att upptäcka exakt vilken molekyl som var den genetiska molekylen. Crick ansåg att Charles Darwins teori om evolution genom naturligt urval, Gregor Mendels genetik och kunskapen om genetikens molekylära grund, när de kombinerades, avslöjade livets hemlighet. Crick hade den mycket optimistiska uppfattningen att liv mycket snart skulle kunna skapas i ett provrör. Vissa människor (t.ex. forskarkollegan och kollegan Esther Lederberg) ansåg dock att Crick var onödigt optimistisk
Det stod klart att någon makromolekyl, t.ex. ett protein, sannolikt skulle vara den genetiska molekylen. Det var dock väl känt att proteiner är strukturella och funktionella makromolekyler, varav en del utför enzymatiska reaktioner i cellerna. På 1940-talet hade man funnit vissa bevis som pekade på en annan makromolekyl, DNA, den andra stora komponenten i kromosomerna, som en möjlig genetisk molekyl. I Avery-MacLeod-McCarty-experimentet från 1944 visade Oswald Avery och hans medarbetare att en ärftlig fenotypisk skillnad kunde orsakas hos bakterier genom att förse dem med en viss DNA-molekyl.
Däremot tolkades andra bevis som att DNA var strukturellt ointressant och möjligen bara en molekylär byggnadsställning för de till synes mer intressanta proteinmolekylerna. Crick befann sig på rätt plats, i rätt sinnesstämning och vid rätt tidpunkt (1949) för att ansluta sig till Max Perutz projekt vid universitetet i Cambridge, och han började arbeta med röntgenkristallografi av proteiner. Röntgenkristallografi gav teoretiskt sett möjlighet att avslöja den molekylära strukturen hos stora molekyler som proteiner och DNA, men det fanns då allvarliga tekniska problem som hindrade att röntgenkristallografi kunde tillämpas på så stora molekyler.
1949-1950Redigera
Crick lärde sig själv den matematiska teorin för röntgenkristallografi. Under den period då Crick studerade röntgendiffraktion försökte forskare i Cambridge-laboratoriet fastställa den mest stabila spiralformade konformationen av aminosyrakedjor i proteiner (alfahelixen). Linus Pauling var den förste som identifierade förhållandet 3,6 aminosyror per spiralsväng i alfahelixen. Crick blev vittne till den typ av fel som hans medarbetare gjorde i sina misslyckade försök att göra en korrekt molekylär modell av alfahelixen; dessa visade sig vara viktiga lärdomar som i framtiden kunde tillämpas på DNA:s spiralformade struktur. Han lärde sig till exempel betydelsen av den strukturella styvhet som dubbelbindningar ger molekylära strukturer, vilket är relevant både för peptidbindningar i proteiner och strukturen hos nukleotider i DNA.
1951-1953: DNA-strukturRedigera
Under 1951 och 1952 deltog Crick tillsammans med William Cochran och Vladimir Vand i utvecklingen av en matematisk teori om röntgendiffraktion av en spiralformad molekyl. Detta teoretiska resultat stämde väl överens med röntgendata för proteiner som innehåller sekvenser av aminosyror i alfahelixkonformationen. Helixdiffraktionsteorin visade sig också vara användbar för att förstå DNA:s struktur.
Slutet av 1951 började Crick arbeta tillsammans med James Watson vid Cavendish Laboratory vid universitetet i Cambridge, England. Med hjälp av ”Photo 51” (Rosalind Franklins och hennes doktorand Raymond Goslings röntgendiffraktionsresultat från King’s College i London, som Gosling och Franklins kollega Wilkins hade gett dem) utvecklade Watson och Crick tillsammans en modell för DNA:s spiralformade struktur, som de publicerade 1953. För detta och senare arbeten tilldelades de tillsammans med Wilkins Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1962.
När Watson kom till Cambridge var Crick en 35-årig doktorand (på grund av sitt arbete under andra världskriget) och Watson var bara 23 år, men hade redan disputerat. De delade ett intresse för det grundläggande problemet att ta reda på hur genetisk information kan lagras i molekylär form. Watson och Crick pratade oavbrutet om DNA och tanken att det skulle kunna vara möjligt att gissa sig till en bra molekylär modell av dess struktur. En viktig del av den experimentellt framtagna informationen kom från röntgendiffraktionsbilder som hade tagits fram av Wilkins, Franklin och Gosling. I november 1951 kom Wilkins till Cambridge och delade sina uppgifter med Watson och Crick. Alexander Stokes (en annan expert på teorin om spiralformad diffraktion) och Wilkins (båda vid King’s College) hade kommit fram till att röntgendiffraktionsdata för DNA tydde på att molekylen hade en spiralformad struktur – men Franklin ifrågasatte denna slutsats kraftigt. Stimulerade av sina diskussioner med Wilkins och vad Watson fick veta genom att närvara vid ett föredrag som Franklin höll om sitt arbete med DNA, tog Crick och Watson fram och visade upp en felaktig första modell av DNA. Deras brådska att ta fram en modell av DNA:s struktur drevs delvis av vetskapen om att de konkurrerade med Linus Pauling. Med tanke på Paulings nyligen uppnådda framgång med att upptäcka alfahelixen fruktade de att Pauling också skulle kunna bli den förste att bestämma DNA:s struktur.
Många har spekulerat i vad som hade kunnat hända om Pauling hade kunnat resa till Storbritannien som planerat i maj 1952. Som det var nu gjorde hans politiska verksamhet att hans resa begränsades av den amerikanska regeringen och han besökte inte Storbritannien förrän senare, då han inte träffade någon av DNA-forskarna i England. I vilket fall som helst var han upptagen av proteiner vid den tiden, inte av DNA. Watson och Crick arbetade inte officiellt med DNA. Crick höll på att skriva sin doktorsavhandling; Watson hade också annat arbete, t.ex. försökte han få fram kristaller av myoglobin för röntgendiffraktionsexperiment. År 1952 utförde Watson röntgendiffraktion på tobaksmosaikvirus och fann resultat som tydde på att det hade en spiralformad struktur. Efter att ha misslyckats en gång var Watson och Crick nu något tveksamma till att försöka igen och under en tid förbjöds de att göra ytterligare försök att hitta en molekylär modell av DNA.
En stor betydelse för Watsons och Cricks arbete med att bygga modeller var Rosalind Franklins förståelse av grundläggande kemi, som visade att de hydrofila fosfathaltiga ryggraden i DNA:s nukleotidkedjor borde placeras så att de interagerar med vattenmolekyler på molekylens utsida, medan de hydrofoba baserna borde vara packade i kärnan. Franklin delade med sig av denna kemiska kunskap till Watson och Crick när hon påpekade för dem att deras första modell (från 1951, med fosfaterna inuti) var uppenbart felaktig.
Crick beskrev vad han såg som Wilkins och Franklins misslyckande med att samarbeta och arbeta för att hitta en molekylär modell av DNA som en viktig orsak till att han och Watson till slut gjorde ett andra försök att göra det. De bad om, och fick, tillstånd att göra det från både William Lawrence Bragg och Wilkins. För att konstruera sin DNA-modell använde Watson och Crick information från opublicerade röntgendiffraktionsbilder från Franklin (som visades vid möten och som Wilkins fritt delade med sig av), inklusive preliminära redogörelser för Franklins resultat/foton av röntgenbilderna som ingick i en skriftlig lägesrapport för Sir John Randalls laboratorium vid King’s College från slutet av 1952.
Det är omdiskuterat om Watson och Crick borde ha haft tillgång till Franklins resultat utan hennes vetskap eller tillåtelse, och innan hon hade en chans att formellt publicera resultaten av sin detaljerade analys av sina röntgendiffraktionsdata som ingick i lägesrapporten. Watson och Crick fann dock fel i hennes orubbliga påstående att en spiralformad struktur enligt hennes data inte var den enda möjliga formen för DNA – så de stod inför ett dilemma. I ett försök att klargöra denna fråga publicerade Max Ferdinand Perutz senare vad som hade funnits i lägesrapporten och föreslog att det inte fanns något i rapporten som Franklin själv inte hade sagt i sitt föredrag (som Watson deltog i) i slutet av 1951. Vidare förklarade Perutz att rapporten var avsedd för en kommitté från Medical Research Council (MRC) som hade inrättats för att ”etablera kontakt mellan de olika grupper av människor som arbetar för rådet”. Randalls och Perutz laboratorier finansierades båda av MRC.
Det är inte heller klart hur viktiga Franklins opublicerade resultat från lägesrapporten faktiskt var för det modellbygge som Watson och Crick gjorde. Efter att de första grova röntgendiffraktionsbilderna av DNA samlades in på 1930-talet hade William Astbury talat om staplar av nukleotider med 3,4 angström (0,34 nanometer) mellanrum i DNA. Ett citat till Astburys tidigare röntgendiffraktionsarbete var en av endast åtta referenser i Franklins första artikel om DNA. Analysen av Astburys publicerade DNA-resultat och de bättre röntgendiffraktionsbilder som samlades in av Wilkins och Franklin avslöjade DNA:s spiralformade natur. Det var möjligt att förutsäga antalet baser som är staplade inom ett enda varv av DNA-helixen (10 per varv; ett helt varv av helixen är 27 angströms i den kompakta A-formen, 34 angströms i den blötare B-formen). Wilkins delade denna information om DNA:s B-form med Crick och Watson. Crick fick inte se Franklins röntgenbilder av B-formen (bild 51) förrän efter det att DNA:s dubbelhelixmodell hade publicerats.
En av de få referenser som Watson och Crick citerade när de publicerade sin modell av DNA var till en publicerad artikel som innehöll Sven Furbergs DNA-modell som hade baserna på insidan. Watson och Cricks modell var alltså inte den första modellen med ”baserna i” som föreslogs. Furbergs resultat hade också gett DNA-sockrens korrekta orientering i förhållande till baserna. Under modellbygget lärde sig Crick och Watson att en antiparallell orientering av de två nukleotidkedjornas ryggraden fungerade bäst för att orientera basparen i mitten av en dubbelspiral. Cricks tillgång till Franklins lägesrapport från slutet av 1952 är det som gjorde Crick säker på att DNA var en dubbelhelix med antiparallella kedjor, men det fanns andra resonemangskedjor och informationskällor som också ledde till dessa slutsatser.
Som en följd av att hon lämnade King’s College för Birkbeck College blev Franklin ombedd av John Randall att ge upp sitt arbete med DNA. När det stod klart för Wilkins och Watsons och Cricks handledare att Franklin skulle gå till det nya jobbet, och att Linus Pauling arbetade med DNA:s struktur, var de villiga att dela Franklins data med Watson och Crick, i hopp om att de skulle kunna hitta en bra modell av DNA innan Pauling kunde göra det. Franklins röntgendiffraktionsdata för DNA och hennes systematiska analys av DNA:s strukturella egenskaper var användbara för Watson och Crick för att vägleda dem till en korrekt molekylär modell. Det viktigaste problemet för Watson och Crick, som inte kunde lösas med hjälp av uppgifterna från King’s College, var att gissa hur nukleotidbaserna packar ihop sig i kärnan av DNA:s dubbelspiral.
En annan nyckel till att hitta DNA:s korrekta struktur var de s.k. Chargaff-förhållandena, experimentellt bestämda förhållandet mellan DNA:s nukleotidunderenheter: mängden guanin är lika med cytosin och mängden adenin är lika med tymin. Ett besök av Erwin Chargaff i England 1952 förstärkte detta viktiga faktum för Watson och Crick. Betydelsen av dessa förhållanden för DNA:s struktur insågs inte förrän Watson, som fortsatte att bygga strukturella modeller, insåg att paren A:T och C:G är strukturellt likartade. I synnerhet är längden på varje baspar lika lång. Chargaff hade också påpekat för Watson att de dominerande tautomerer av pyrimidinbaserna (C och T) i cellens vatten- och saltvattenmiljö skulle vara amin- och ketokonfigurationerna av cytosin och tymin, snarare än imino- och enolformerna som Crick och Watson hade antagit. De rådfrågade Jerry Donohue som bekräftade de mest sannolika strukturerna för nukleotidbaserna. Basparen hålls samman av vätebindningar, samma icke-kovalenta interaktion som stabiliserar proteinets α-helix. De korrekta strukturerna var avgörande för vätebindningarnas placering. Dessa insikter ledde Watson till att härleda de verkliga biologiska sambanden mellan A:T- och C:G-paren. Efter upptäckten av de vätebundna A:T- och C:G-paren hade Watson och Crick snart sin antiparallella, dubbelhelikala modell av DNA, där vätebindningarna i helixens kärna gav ett sätt att ”packa upp” de två komplementära strängarna för att underlätta replikering: det sista nyckelkravet för en trolig modell av den genetiska molekylen. Hur viktiga Cricks bidrag till upptäckten av den dubbelspiralformade DNA-modellen än var, uppgav han att han utan chansen att samarbeta med Watson inte skulle ha hittat strukturen på egen hand.
Crick gjorde ett trevande försök att utföra några experiment om nukleotidbasparning, men han var mer av en teoretisk biolog än en experimentell biolog. Det skedde ytterligare en nära upptäckt av basparningsreglerna i början av 1952. Crick hade börjat fundera på interaktioner mellan baserna. Han bad John Griffith att försöka beräkna attraktiva interaktioner mellan DNA-baserna utifrån kemiska principer och kvantmekanik. Griffiths bästa gissning var att A:T och G:C var attraktiva par. Vid den tiden kände Crick inte till Chargaffs regler och han gjorde inte mycket av Griffiths beräkningar, även om det fick honom att börja tänka på komplementär replikation. Identifieringen av de korrekta basparningsreglerna (A-T, G-C) uppnåddes genom att Watson ”lekte” med utklippta kartongmodeller av nukleotidbaserna, ungefär på samma sätt som Linus Pauling hade upptäckt proteinets alfahelix några år tidigare. Watson och Cricks upptäckt av DNA:s dubbelspiralstruktur möjliggjordes av deras vilja att kombinera teori, modellering och experimentella resultat (även om de oftast gjordes av andra) för att nå sitt mål.
Den DNA-dubbelspiralstruktur som föreslogs av Watson och Crick baserades på Watson-Crick-bindningar mellan de fyra baser som oftast förekommer i DNA (A, C, T, G) och RNA (A, C, U, G). Senare forskning visade dock att trippelsträngade, fyrdubbelsträngade och andra mer komplexa DNA-molekylstrukturer krävde Hoogsteen-basparning. Hela området syntetisk biologi började med arbete av forskare som Erik T. Kool, där andra baser än A, C, T och G används i ett syntetiskt DNA. Förutom syntetiskt DNA finns det också försök att konstruera syntetiska kodoner, syntetiska endonukleaser, syntetiska proteiner och syntetiska zinkfingrar. Med syntetiskt DNA kan det i stället för 43 kodoner, om det finns n nya baser, finnas så många som n3 kodoner. Forskning pågår för närvarande för att se om kodoner kan utökas till fler än 3 baser. Dessa nya kodoner kan koda för nya aminosyror. Dessa syntetiska molekyler kan användas inte bara inom medicinen utan även för att skapa nya material.
Upptäckten gjordes den 28 februari 1953; den första Watson/Crick-artikeln publicerades i Nature den 25 april 1953. Sir Lawrence Bragg, chef för Cavendish Laboratory, där Watson och Crick arbetade, höll ett föredrag vid Guy’s Hospital Medical School i London torsdagen den 14 maj 1953, vilket resulterade i en artikel av Ritchie Calder i News Chronicle i London fredagen den 15 maj 1953, med titeln ”Why You Are You”. Närmare livets hemlighet”. Nyheten nådde läsarna av New York Times nästa dag; Victor K. McElheny, som forskade i sin biografi ”Watson and DNA: Making a Scientific Revolution”, hittade han ett urklipp av en artikel i New York Times med sex stycken, skriven från London och daterad den 16 maj 1953, med rubriken ”Form of ’Life Unit’ in Cell Is Scanned”. Artikeln publicerades i en tidig utgåva och togs sedan bort för att ge plats åt nyheter som ansågs viktigare. (New York Times publicerade senare en längre artikel den 12 juni 1953). Universitetets grundutbildningstidning Varsity publicerade också en egen kort artikel om upptäckten lördagen den 30 maj 1953. Braggs ursprungliga tillkännagivande av upptäckten vid en Solvay-konferens om proteiner i Belgien den 8 april 1953 blev inte rapporterat av den brittiska pressen.
I ett sju sidor långt, handskrivet brev till sin son på en brittisk internatskola den 19 mars 1953 förklarade Crick sin upptäckt och inledde brevet med ”Min käre Michael, Jim Watson och jag har antagligen gjort en mycket viktig upptäckt…”. Brevet sattes upp på auktion hos Christie’s New York den 10 april 2013 med en uppskattning på 1 till 2 miljoner dollar och såldes slutligen för 6 059 750 dollar, vilket är det största belopp som någonsin betalats för ett brev på auktion.
Sydney Brenner, Jack Dunitz, Dorothy Hodgkin, Leslie Orgel och Beryl M. Oughton, var några av de första som i april 1953 fick se den modell av DNA:s struktur som konstruerats av Crick och Watson; vid den tiden arbetade de vid Oxfords universitets kemiavdelning. Alla var imponerade av den nya DNA-modellen, särskilt Brenner som senare arbetade med Crick i Cambridge på Cavendish Laboratory och det nya Laboratory of Molecular Biology. Enligt den framlidna dr Beryl Oughton, senare Rimmer, reste de alla tillsammans i två bilar när Dorothy Hodgkin meddelade dem att de skulle åka till Cambridge för att se modellen av DNA:s struktur. Orgel arbetade också senare med Crick vid Salk Institute for Biological Studies.
Snart efter Cricks död har det förekommit påståenden om att han skulle ha använt LSD när han kom på idén om DNA:s helixstruktur. Även om han nästan säkert använde LSD är det osannolikt att han gjorde det redan 1953.
MolekylärbiologiRedigera
1954, vid 37 års ålder, slutförde Crick sin doktorsavhandling: ”X-Ray Diffraction: Polypeptider och proteiner” och fick sin examen. Crick arbetade därefter i David Harkers laboratorium vid Brooklyn Polytechnic Institute, där han fortsatte att utveckla sina färdigheter i analysen av röntgendiffraktionsdata för proteiner och arbetade främst med ribonukleas och proteinsyntesens mekanismer. David Harker, den amerikanske röntgenkristallografen, beskrevs som ”kristallografins John Wayne” av Vittorio Luzzati, en kristallograf vid centret för molekylärgenetik i Gif-sur-Yvette nära Paris, som hade arbetat med Rosalind Franklin.
Efter upptäckten av DNA:s dubbelspiralmodell vände sig Cricks intresse snabbt till de biologiska konsekvenserna av strukturen. År 1953 publicerade Watson och Crick ytterligare en artikel i Nature där det stod: ”Det verkar därför troligt att den exakta sekvensen av baserna är den kod som bär den genetiska informationen”.
År 1956 spekulerade Crick och Watson i strukturen hos små virus. De föreslog att sfäriska virus som Tomato bushy stunt virus hade ikosaedrisk symmetri och bestod av 60 identiska underenheter.
Efter sin korta tid i New York återvände Crick till Cambridge där han arbetade fram till 1976, då han flyttade till Kalifornien. Crick engagerade sig i flera röntgendiffraktionssamarbeten, till exempel ett med Alexander Rich om kollagens struktur. Crick avvek dock snabbt från fortsatt arbete som rörde hans expertis inom tolkning av röntgendiffraktionsmönster av proteiner.
George Gamow etablerade en grupp forskare som var intresserade av RNA:s roll som mellanled mellan DNA som genetisk lagringsmolekyl i cellens kärna och syntesen av proteiner i cytoplasman (The RNA Tie Club). Det stod klart för Crick att det måste finnas en kod genom vilken en kort sekvens av nukleotider skulle specificera en viss aminosyra i ett nysyntetiserat protein. År 1956 skrev Crick en informell artikel om problemet med genetisk kodning för den lilla gruppen forskare i Gamows RNA-grupp. I artikeln gick Crick igenom de bevis som stödde idén att det fanns en gemensam uppsättning av cirka 20 aminosyror som användes för att syntetisera proteiner. Crick föreslog att det fanns en motsvarande uppsättning små ”anpassningsmolekyler” som skulle vätebindas till korta sekvenser av en nukleinsyra och även knyta an till en av aminosyrorna. Han utforskade också de många teoretiska möjligheter genom vilka korta nukleinsyresekvenser skulle kunna koda för de 20 aminosyrorna.
Under mitten och slutet av 1950-talet var Crick mycket intellektuellt engagerad i att reda ut mysteriet om hur proteiner syntetiseras. År 1958 hade Cricks tänkande mognat och han kunde på ett ordnat sätt räkna upp alla de viktigaste inslagen i proteinsyntesprocessen:
- genetisk information lagrad i sekvensen av DNA-molekyler
- en ”budbärar”-RNA-molekyl för att bära instruktionerna för att tillverka ett protein till cytoplasman
- adaptormolekyler (”de kan innehålla nukleotider”) för att matcha korta sekvenser av nukleotider i RNA-budbärarmolekylerna till specifika aminosyror
- ribinukleinsyra-proteinkomplex som katalyserar sammansättningen av aminosyror till proteiner enligt budbärar-RNA
Adapteringsmolekylerna visade sig så småningom vara tRNA:er och de katalytiska ”ribonukleiska proteinkomplexen” blev kända som ribosomer. Ett viktigt steg var den senare insikten (1960) att budbärar-RNA inte var samma sak som ribosomalt RNA. Inget av detta gav dock svar på den grundläggande teoretiska frågan om den genetiska kodens exakta natur. I sin artikel från 1958 spekulerade Crick, liksom andra, i att en triplett av nukleotider kunde koda för en aminosyra. En sådan kod skulle kunna vara ”degenererad”, med 4×4×4×4=64 möjliga tripletter av de fyra nukleotidunderenheterna, medan det bara fanns 20 aminosyror. Vissa aminosyror kan ha flera triplettkoder. Crick undersökte också andra koder där man av olika anledningar endast använde vissa tripletter, vilket ”magiskt” gav upphov till just de 20 nödvändiga kombinationerna. Experimentella resultat behövdes; enbart teori kunde inte avgöra kodens natur. Crick använde också termen ”central dogm” för att sammanfatta en idé som innebär att det genetiska informationsflödet mellan makromolekyler i huvudsak skulle vara enkelriktat:
DNA → RNA → Protein
En del kritiker trodde att Crick, genom att använda ordet ”dogm”, antydde att detta var en regel som inte kunde ifrågasättas, men det enda han egentligen menade var att det var en övertygande idé utan särskilt många solida bevis för att stödja den. I sitt tänkande om de biologiska processer som kopplar DNA-gener till proteiner gjorde Crick uttryckligen skillnad mellan de material som är inblandade, den energi som krävs och informationsflödet. Crick fokuserade på denna tredje komponent (information) och den blev den organiserande principen för det som blev känt som molekylärbiologi. Crick hade vid den här tiden blivit en mycket inflytelserik teoretisk molekylärbiolog.
Beviset på att den genetiska koden är en degenererad triplettkod kom slutligen från genetiska experiment, varav några utfördes av Crick. Detaljerna i koden kom främst från arbete av Marshall Nirenberg och andra som syntetiserade syntetiska RNA-molekyler och använde dem som mallar för proteinsyntes in vitro. Nirenberg tillkännagav först sina resultat för en liten publik i Moskva vid en konferens 1961. Cricks reaktion var att han bjöd in Nirenberg att hålla sitt föredrag inför en större publik.