Es ist essentiell, dass genetisches Material exakte Kopien von sich selbst anfertigen kann; andernfalls würde Wachstum zu Unordnung führen, Leben könnte nicht entstehen und günstige Formen würden nicht durch natürliche Selektion bewahrt.
Maurice Hugh Frederick Wilkins war ein in Neuseeland geborener britischer Biophysiker und Nobelpreisträger, dessen Forschung mehrere Bereiche der Physik und Biophysik umfasste und zu wissenschaftlichen Erkenntnissen über Phosphoreszenz, Isotopentrennung, optische Mikroskopie und Röntgenbeugung sowie zur Entwicklung von Radar beitrug. Er ist vor allem für seine Arbeit am King's College London zur Struktur der DNA bekannt.
Wilkins' Arbeit zur DNA lässt sich in zwei unterschiedliche Phasen unterteilen. Die erste war 1948–50, als seine Anfangsstudien die ersten klaren Röntgenaufnahmen der DNA produzierten, die er 1951 auf einer Konferenz in Neapel präsentierte, an der James Watson teilnahm. In der zweiten Phase, 1951–52, produzierte Wilkins klare „B-Form" „X"-förmige Aufnahmen von Tintenfischsperma, die er James Watson und Francis Crick schickte, was Watson dazu veranlasste zu schreiben „Wilkins... hat äußerst ausgezeichnete Röntgenbeugungsfotografien erhalten".
1953 instruierte Wilkins' Kollegin Rosalind Franklin Raymond Gosling, ein hochqualitatives Bild der „B"-Form DNA Foto 51 an Wilkins zu übergeben, das sie 1952 angefertigt hatte, aber „beiseite gelegt" hatte, da sie das King's College London verließ. Wilkins zeigte es Watson. Dieses Bild, zusammen mit der Erkenntnis, dass Linus Pauling eine fehlerhafte Struktur der DNA vorgeschlagen hatte, „mobilisierte" Watson und Crick, den Modellbau zu überdenken. Mit zusätzlichen Informationen aus Forschungsberichten von Wilkins und Franklin, die über Max Perutz erhalten wurden, beschrieben Watson und Crick 1953 korrekt die Doppelhelix-Struktur der DNA.
Wilkins überprüfte weiterhin, verifizierten und machte erhebliche Korrektionen am Watson–Crick-DNA-Modell und studierte die Struktur der RNA. Wilkins, Crick und Watson wurden 1962 mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet „für ihre Entdeckungen über die molekulare Struktur der Nukleinsäuren und ihre Bedeutung für die Informationsübertragung in lebender Materie".
Frühe Jahre und Ausbildung
Wilkins wurde in Pongaroa, Neuseeland, geboren, wo sein Vater, Edgar Henry Wilkins, Arzt war. Seine Familie war aus Dublin gekommen, wo seine väterlichen und mütterlichen Großväter jeweils Schulleiter der Dublin High School und Chef der Polizei waren. Die Wilkins zogen nach Birmingham, England, als Maurice 6 Jahre alt war. Später besuchte er das Wylde Green College und dann die King Edward's School, Birmingham von 1929 bis 1934.
Wilkins ging 1935 zum St John's College, Cambridge. Er studierte Natural Sciences Tripos mit Spezialisierung auf Physik und erhielt einen Bachelor of Arts. Mark Oliphant, einer von Wilkins' Ausbildern am St. John's, war zum Lehrstuhl für Physik an der University of Birmingham ernannt worden und hatte John Randall in sein Team berufen. Wilkins wurde Doktorand von Randall an der University of Birmingham. 1945 veröffentlichten sie vier Arbeiten in den Proceedings of the Royal Society über Phosphoreszenz und Elektronenfallen. Wilkins erhielt 1940 seinen PhD für diese Arbeit.
Karriere und Forschung
Nachkriegsjahre: 1945–50
Während des Zweiten Weltkrieges entwickelte Wilkins verbesserte Radarschirme in Birmingham und arbeitete dann an der Isotopentrennung im Manhattan Project an der University of California, Berkeley während der Jahre 1944–45.
Unterdessen war Randall zum Lehrstuhl für Physik an der University of St Andrews ernannt worden. 1945 ernannte er Wilkins als Lecturer in seinem Fachbereich an der University of St Andrews. Randall verhandelte mit dem Medical Research Council MRC, um ein Labor einzurichten, um die experimentellen Methoden der Physik auf Probleme der Biologie anzuwenden. Die Kombination dieser Disziplinen als Biophysik war eine neuartige Idee. Der MRC teilte Randall mit, dass dies an einer anderen Universität geschehen müsse. 1946 wurde Randall zum Wheatstone Professor für Physik ernannt, verantwortlich für die gesamte Physikfakultät am King's College, London, mit Mitteln zur Einrichtung einer Biophysik-Abteilung. Er brachte Wilkins als stellvertretenden Direktor der Abteilung mit. Sie ernannten ein Team von Wissenschaftlern, die in physikalischen und biologischen Wissenschaften ausgebildet waren. Die „Managementphilosophie" war, die Verwendung vieler Techniken parallel zu erkunden, um zu sehen, welche vielversprechend aussahen, und sich dann auf diese zu konzentrieren. Wilkins, als Wissenschaftler mit den vielfältigsten Erfahrungen in Physik und stellvertretender Direktor der Abteilung, hatte allgemeine Aufsicht über die verschiedenen Projekte neben direkter Beteiligung an seinen persönlichen Forschungsprojekten, die neue Arten der optischen Mikroskopie beinhalteten. Das King's College erhielt Mittel zum Bau völlig neuer Physik- und Ingenieursfakultäten, wo Gewölbe unter der Strand-Ebene des College-Vorplatzes während des Krieges durch Bomben zerstört wurden. Die Biophysik-Abteilung, mehrere weitere experimentelle Physikgruppen und die theoretische Gruppe begannen, in den frühen Monaten von 1952 umzuziehen. Die Laboratorien wurden am 27. Juni formal von Lord Cherwell eröffnet. Wilkins' Artikel für Nature beschrieb beide Fachbereiche, konsistent mit seiner Führungsrolle und seinem Prestige innerhalb des Colleges insgesamt.
DNA – Phase Eins
Am King's College verfolgte Wilkins unter anderem Röntgenbeugungsarbeiten an Widdersamenzellen und DNA, die vom Schweizer Wissenschaftler Rudolf Signer aus Kalbthymus erhalten worden war. Die DNA aus Signers Labor war viel intakter als die DNA, die zuvor isoliert worden war. Wilkins entdeckte, dass es möglich war, dünne Fäden aus dieser konzentrierten DNA-Lösung herzustellen, die hochgeordnete DNA-Arrays enthielten, die sich für die Herstellung von Röntgenbeugungsmustern eigneten. Mit einer sorgfältig gebündelten Gruppe dieser DNA-Fäden und wenn sie hydratisiert wurden, erhielten Wilkins und ein Doktorand Raymond Gosling Röntgenaufnahmen der DNA, die zeigten, dass das lange, dünne DNA-Molekül in der Probe von Signer eine regelmäßige, kristallartige Struktur in diesen Fäden aufwies. Gosling sagte später „Als... ich diese diskreten Beugungsflecken zuerst sah... die auf dem Film in der Entwicklungsschüssel entstanden, war das ein wahrhaft eureka-Moment....wir erkannten, dass wenn DNA das Genmaterial war, wir gerade gezeigt hatten, dass Gene kristallisieren konnten!" Diese anfängliche Röntgenbeugungsarbeit am King's College wurde Mai oder Juni 1950 durchgeführt. Es war eine der Röntgenbeugungsfotografien, die 1950 aufgenommen wurde, auf einem Treffen in Neapel ein Jahr später gezeigt, das James Watsons Interesse an DNA weckte und ihn veranlasste zu schreiben „plötzlich war ich begeistert von Chemie.....ich begann mich zu fragen, ob es möglich wäre für mich, mich Wilkins bei der Arbeit an DNA anzuschließen". Zu jener Zeit führte Wilkins auch Francis Crick in die Bedeutung von DNA ein. Crick riet ihm, an Proteinen zu arbeiten und sagte Wilkins „was du tun solltest, ist dir selbst ein gutes Protein zu suchen". Wilkins wusste, dass angemessene Experimente an den Fäden gereinigter DNA bessere Röntgenausrüstung erfordern würden. Wilkins bestellte eine neue Röntgenröhre und eine neue Mikrokamera. Er schlug Randall auch vor, dass die in Kürze ernannte Rosalind Franklin von der Arbeit an Proteinlösungen abgezogen werden sollte, um sich der DNA-Anstrengung anzuschließen.
Im Sommer 1950 hatte Randall ein dreijähriges Forschungs-Fellowship organisiert, das Rosalind Franklin in seinem Labor finanzieren würde. Franklin war verspätet bei der Fertigstellung ihrer Arbeit in Paris. Ende 1950 schrieb Randall an Franklin, um sie zu informieren, dass sie anstatt an Proteinen zu arbeiten, von Wilkins' Vorarbeit profitieren sollte und dass sie Röntgenstudien von DNA-Fasern durchführen sollte, die aus Signers DNA-Proben hergestellt wurden.
Rosalind Franklin kommt am King's College an
Anfang 1951 kam Franklin endlich an. Wilkins war im Urlaub und verpasste ein Anfangstreffen, bei dem Raymond Gosling anstelle von ihm zusammen mit Alex Stokes fungierte, der wie Crick die grundlegende Mathematik lösen würde, die eine allgemeine Theorie darüber ermöglicht, wie helikale Strukturen Röntgenstrahlen beugen. Im Labor war mehrere Monate keine Arbeit an DNA durchgeführt worden; die neue Röntgenröhre saß ungenutzt herum und wartete auf Franklin. Franklin endete mit der DNA von Signer, Gosling wurde ihr Doktorand, und sie hatte die Erwartung, dass DNA-Röntgenbeugungsarbeit ihr Projekt war. Wilkins kehrte ins Labor zurück und erwartete andererseits, dass Franklin seine Mitarbeiterin sein würde und dass sie zusammen an dem DNA-Projekt arbeiten würden, das er gestartet hatte.
Randalls Führungsstil verursacht Verwirrung und Spannungen
Die Verwirrung über Franklins und Wilkins' Rollen in Bezug auf die DNA-Anstrengung, die sich später zu erheblichen Spannungen zwischen ihnen entwickelte, ist eindeutig Randall zuzuschreiben. In seinem Ernennungsschreiben sagte er Franklin „soweit die experimentelle Röntgenarbeit betroffen ist, werden es im Moment nur Sie und Gosling sein". Randall informierte Wilkins jedoch niemals von seiner Entscheidung, Franklin alleinige Verantwortung für die DNA-Anstrengung zu geben, und Wilkins erfuhr von dem Brief erst Jahre nach Franklins Tod. Er schrieb später „Meine Meinung ist sehr klar: dass Randall sehr Unrecht hatte, Rosalind zu schreiben, dass Stokes und ich wünschen, unsere Arbeit an DNA einzustellen, ohne uns zu konsultieren. Nachdem Raymond sehr schädlich für sie und für mich war".
DNA Phase Zwei 1951–52
Bis November 1951 hatte Wilkins Beweise, dass DNA in Zellen sowie gereinigte DNA eine helikale Struktur aufwies. Alex Stokes hatte die grundlegende Mathematik der helikalen Beugungstheorie gelöst und dachte, dass Wilkins' Röntgenbeugungsdaten auf eine helikale Struktur in DNA hindeuteten. Wilkins traf sich mit Watson und Crick und erzählte ihnen von seinen Ergebnissen. Diese Informationen von Wilkins, zusammen mit zusätzlichen Informationen, die Watson gewann, als er Franklin über ihre Forschung während eines Forschungstreffens am King's College sprechen hörte, veranlassten Watson und Crick, ihr erstes Molekularmodell der DNA zu erstellen, ein Modell mit den Phosphatrückgrat in der Mitte. Nach Betrachtung des Modells der vorgeschlagenen Struktur sagte Franklin Watson und Crick, dass es falsch war. Franklin basierte dies auf zwei Beobachtungen. Erstens zeigten Experimente von J.M. Gulland, dass die CO- und NH2-Gruppen der Basen nicht titriert werden konnten und daher wahrscheinlich unzugänglich waren. Zweitens zeigte kristallographische Evidenz, dass die strukturellen Einheiten der DNA durch die Zugabe von Wasser progressiv getrennt wurden, was zur Bildung eines Gels und dann einer Lösung führte. Franklin glaubte, dass die einfachste Erklärung dafür war, dass der hydrophile Teil des Moleküls auf der Außenseite wäre. Crick versuchte, Wilkins zu bewegen, weitere Molekularmodellierungsanstrengungen fortzusetzen, aber Wilkins verfolgte diesen Ansatz nicht.
Anfang 1952 begann Wilkins eine Serie von Experimenten an Tintenfischsperma, die sehr ermutigend waren. „Ich...bekam viel klarere Muster als im Vorjahr.....als ich Bragg zufällig traf, zeigte ich ihm das Muster sehr klar und bot starke Beweise für eine helikale Struktur für DNA....die scharfen Spermamuster waren sehr inspirierend und hatten das besondere Interesse, dass Spermien echte lebende Objekte waren und nicht nur gereinigte DNA, die von Chemikern aus lebendem Material extrahiert wurde". Wilkins war besonders daran interessiert, ob lebende Proben aussagekräftige Röntgenbeugungsmuster liefern würden – seine Ergebnisse zeigten, dass sie konnten.
Während 1952 weigerte sich Franklin auch, an Molekularmodellierungsanstrengungen teilzunehmen, und setzte ihre schrittweise detaillierte Analyse ihrer Röntgenbeugungsdaten Patterson-Synthese fort. Im Frühling 1952 hatte Franklin die Erlaubnis von Randall erhalten, um zu fragen, ob sie ihre Fellowship übertragen könnte, damit sie das King's College verlassen und in John Bernals Labor am Birkbeck College, ebenfalls in London, arbeiten könnte. Franklin blieb bis Mitte März 1953 am King's College.
Linus Pauling hatte eine vorgeschlagene, aber fehlerhafte Struktur der DNA veröffentlicht und machte denselben grundlegenden Fehler, den Watson und Crick ein Jahr zuvor gemacht hatten. Einige derjenigen, die an DNA im Vereinigten Königreich arbeiteten, fürchteten, dass Pauling die DNA-Struktur schnell lösen würde, sobald er seinen Fehler erkannte und die Rückgrate der Nukleotidketten auf die Außenseite eines DNA-Modells legte. Nach März 1952 konzentrierte sich Franklin auf die Röntgendaten für die A-Form weniger hydratisierter DNA, während Wilkins versuchte, an der hydratisierten B-Form zu arbeiten. Wilkins war behindert, weil Franklin alle guten DNA hatte. Wilkins bekam neue DNA-Proben, aber sie waren nicht so gut wie die ursprüngliche Probe, die er 1950 erhalten hatte und die Franklin weiterhin nutzte. Die meisten seiner neuen Ergebnisse waren für biologische Proben wie Spermien, die auch eine helikale Struktur für DNA suggerierten. Im Juli 1952 berichtete Franklin ihm und Stokes, dass ihre neuesten Ergebnisse sie daran zweifeln ließen, dass die A-Form helikal war.
Anfang 1953 besuchte Watson das King's College und Wilkins zeigte ihm ein hochqualitatives Bild des B-Form-Röntgenbeugungsmusters, jetzt identifiziert als Fotografie 51, das Franklin im März 1952 produziert hatte. Wilkins hatte dieses Bild, das von Franklin produziert wurde, gezeigt, ohne den Hauptermittler, der das Bild produziert hatte, zu benachrichtigen oder eine Genehmigung zu erhalten. Mit dem Wissen, dass Pauling an DNA arbeitete und ein DNA-Modell zur Veröffentlichung eingereicht hatte, unternahmen Watson und Crick eine weitere konzentrierte Anstrengung, um die Struktur der DNA zu deduzieren. Durch Max Perutz, seinen Dissertationsbetreuer, erhielt Crick Zugang zu einem Fortschrittsbericht vom King's College, der nützliche Informationen von Franklin über die Merkmale der DNA enthielt, die sie aus der
