Для генетического материала необходимо иметь возможность создавать точные копии самого себя; в противном случае рост привел бы к беспорядку, жизнь не могла бы возникнуть, и благоприятные формы не сохранялись бы естественным отбором.
Maurice Hugh Frederick Wilkins был новозеландским британским биофизиком и лауреатом Нобелевской премии, чьи исследования охватывали множество областей физики и биофизики, внося вклад в научное понимание люминесценции, разделения изотопов, оптической микроскопии и дифракции рентгеновских лучей, а также в развитие радара. Он наиболее известен своей работой в King's College London по изучению структуры ДНК.
Работа Wilkins по ДНК разделяется на два отчетливых этапа. Первый был в 1948–50 годах, когда его первоначальные исследования дали первые четкие рентгеновские снимки ДНК, которые он представил на конференции в Неаполе в 1951 году, на которой присутствовал James Watson. Во время второго этапа, 1951–52 годов, Wilkins создал четкие снимки в форме «B» в форме «X» из спермы кальмара, снимки, которые он отправил James Watson и Francis Crick, что вызвало написание Watson: «Wilkins... получил исключительно превосходные рентгеновские дифракционные фотографии».
В 1953 году коллега Wilkins Rosalind Franklin приказала Raymond Gosling передать Wilkins высокачественное изображение ДНК формы «B» Фото 51, которое она создала в 1952 году, но «отложила его в сторону», так как покидала King's College London. Wilkins показал это Watson. Это изображение, наряду со знанием того, что Linus Pauling предложил неправильную структуру ДНК, «побудило» Watson и Crick перезапустить построение моделей. С дополнительной информацией из исследовательских отчетов Wilkins и Franklin, полученной через Max Perutz, Watson и Crick правильно описали двойную спиральную структуру ДНК в 1953 году.
Wilkins продолжал тестировать, проверять и вносить значительные исправления в модель ДНК Watson–Crick, а также изучал структуру РНК. Wilkins, Crick и Watson получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине 1962 года «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живом организме».
Ранняя жизнь и образование
Wilkins родился в Pongaroa, Новая Зеландия, где его отец, Edgar Henry Wilkins, был врачом. Его семья приехала из Dublin, где его дедушки по отцовской и материнской линиям были соответственно директором Dublin High School и начальником полиции. Семья Wilkins переехала в Birmingham, Англия, когда Maurice было 6 лет. Позже он посещал Wylde Green College, а затем поступил в King Edward's School, Birmingham с 1929 по 1934 год.
Wilkins поступил в St John's College, Cambridge в 1935 году. Он изучал Natural Sciences Tripos со специализацией в области физики и получил степень бакалавра искусств. Mark Oliphant, который был одним из инструкторов Wilkins в St. John's, был назначен на должность профессора физики в University of Birmingham и назначил John Randall в свой штат. Wilkins стал докторантом Randall в University of Birmingham. В 1945 году они опубликовали четыре статьи в Proceedings of the Royal Society о люминесценции и электронных ловушках. Wilkins получил докторскую степень за эту работу в 1940 году.
Карьера и исследования
Послевоенные годы: 1945–50
Во время Второй мировой войны Wilkins разработал улучшенные экраны радара в Birmingham, а затем работал над разделением изотопов в Manhattan Project в University of California, Berkeley в 1944–45 годах.
Между тем, Randall был назначен на должность профессора физики в University of St Andrews. В 1945 году он назначил Wilkins помощником лектора в своем отделении в University of St Andrews. Randall вел переговоры с Medical Research Council MRC об установке лаборатории для применения экспериментальных методов физики к проблемам биологии. Сочетание этих дисциплин в виде биофизики было новой идеей. MRC сказал Randall, что это должно быть сделано в другом университете. В 1946 году Randall был назначен профессором Wheatstone физики, руководящим всем физическим отделением в King's College, London, с финансированием для создания подразделения биофизики. Он привез Wilkins с собой в качестве помощника директора подразделения. Они назначили группу ученых, обученных как физическим, так и биологическим наукам. «Философия управления» заключалась в исследовании использования многих методов параллельно, чтобы найти, какие выглядели многообещающе, а затем сосредоточиться на них. Wilkins, как ученый с наиболее разнообразным опытом физики и помощник директора подразделения, имел общий надзор над различными проектами, помимо прямого участия в его личных исследовательских проектах, которые включали новые типы оптической микроскопии. King's College получил финансирование для создания совершенно новых факультетов физики и инженерии, где хранилища под уровнем Strand возле крыльца колледжа были разрушены бомбами во время войны. Подразделение биофизики, несколько дополнительных экспериментальных групп физики и теоретическая группа начали переезжать в начале 1952 года. Лаборатории были официально открыты Lord Cherwell 27 июня. Статья Wilkins для Nature описала оба факультета, что соответствует его роли лидера и престижу в колледже в целом.
ДНК – Первый этап
В King's College Wilkins занимался, среди прочего, работой дифракции рентгеновских лучей на сперме барана и ДНК, которые были получены из тимуса теленка швейцарским ученым Rudolf Signer. ДНК из лаборатории Signer была намного более неповреждена, чем ДНК, которая была ранее выделена. Wilkins обнаружил, что из этого концентрированного раствора ДНК можно было произвести тонкие нити, содержащие высокоупорядоченные массивы ДНК, пригодные для создания дифракционных картин рентгеновских лучей. Используя тщательно собранную группу этих нитей ДНК и поддерживая их в увлажненном состоянии, Wilkins и аспирант Raymond Gosling получили рентгеновские фотографии ДНК, которые показали, что длинная, тонкая молекула ДНК в образце от Signer имела регулярную, кристаллическую структуру в этих нитях. Позже Gosling сказал: «Когда... я впервые увидел все эти дискретные дифракционные пятна... появляющиеся на пленке в ванне для проявления, это был подлинный момент эврики.... мы поняли, что если ДНК была генетическим материалом, то мы только что показали, что гены могут кристаллизоваться!» Эта первоначальная работа дифракции рентгеновских лучей в King's College была проведена в мае или июне 1950 года. Это была одна из фотографий дифракции рентгеновских лучей, сделанная в 1950 году и показанная на встрече в Неаполе год спустя, которая пробудила интерес James Watson к ДНК, вызвав его написание: «внезапно я стал увлечен химией.....я начал задаваться вопросом, будет ли возможно для меня присоединиться к Wilkins в работе над ДНК». В то время Wilkins также познакомил Francis Crick со значением ДНК. Crick посоветовал ему работать с белками, сказав Wilkins: «то, что вы должны делать, это найти себе хороший белок». Wilkins знал, что надлежащие эксперименты на нитях очищенной ДНК потребуют лучшего оборудования рентгеновского излучения. Wilkins заказал новую рентгеновскую трубку и новую микрокамеру. Он также предложил Randall, чтобы вскоре назначенный Rosalind Franklin был переведен с работы над растворами белков для присоединения к усилиям по ДНК.
К лету 1950 года Randall организовал трехлетнюю научную стипендию, которая финансировала бы Rosalind Franklin в его лаборатории. Franklin была задержана с завершением своей работы в Paris. В конце 1950 года Randall написал Franklin, чтобы сообщить ей, что вместо работы над белком она должна воспользоваться предварительной работой Wilkins и что она должна проводить рентгеновские исследования ДНК-волокон, сделанных из образцов ДНК Signer.
Rosalind Franklin приходит в King's College
В начале 1951 года Franklin наконец прибыла. Wilkins был в отпуске и пропустил первоначальную встречу, на которой Raymond Gosling вместо него, а также Alex Stokes, который, как и Crick, решал бы основную математику, которая делает возможной общую теорию того, как спиральные структуры дифрагируют рентгеновские лучи. В течение нескольких месяцев на ДНК в лаборатории не проводилось никаких работ; новая рентгеновская трубка лежала неиспользованной, ожидая Franklin. Franklin в конце концов получила ДНК от Signer, Gosling стал ее аспирантом, и у нее было ожидание, что работа дифракции рентгеновских лучей ДНК была ее проектом. Wilkins вернулся в лабораторию, ожидая, с другой стороны, что Franklin будет его сотрудником и что они будут работать вместе над проектом ДНК, который он начал.
Стиль управления Randall вызывает путаницу и напряженность
Путаница относительно ролей Franklin и Wilkins в отношении усилий по ДНК, которая позже переросла в значительную напряженность между ними, четко приписывается Randall. В своем письме о назначении он сказал Franklin: «поскольку касается экспериментального рентгеновского усилия, в настоящее время будут только вы и Gosling». Однако Randall никогда не информировал Wilkins о своем решении предоставить Franklin исключительную ответственность за усилия по ДНК, и Wilkins узнал об этом письме только через годы после смерти Franklin. Он позже написал: «Мое мнение очень ясно: что Randall был очень неправ, написав Rosalind, что Stokes и я желали прекратить нашу работу над ДНК, без консультации с нами. После Raymond был очень вреден для нее и для меня».
Этап два ДНК 1951–52
К ноябрю 1951 года Wilkins имел доказательства того, что ДНК в клетках, а также очищенная ДНК имели спиральную структуру. Alex Stokes решил основную математику теории спиральной дифракции и думал, что данные дифракции рентгеновских лучей Wilkins указывают на спиральную структуру ДНК. Wilkins встретился с Watson и Crick и рассказал им о своих результатах. Эта информация от Wilkins, наряду с дополнительной информацией, полученной Watson, когда он услышал, как Franklin говорила о своих исследованиях во время исследовательского совещания King's College, побудили Watson и Crick создать свою первую молекулярную модель ДНК, модель с фосфатными остовами в центре. При просмотре модели предложенной структуры Franklin сказала Watson и Crick, что это неправильно. Franklin основала это на двух наблюдениях. Во-первых, эксперименты J.M. Gulland показали, что группы CO- и NH2 оснований не могли быть титрованы и поэтому были вероятно недоступны. Во-вторых, кристаллографические доказательства показали, что структурные единицы ДНК были прогрессивно разделены путем добавления воды, что привело к образованию геля, а затем раствора. Franklin считала, что самое простое объяснение этого заключалось в том, что гидрофильная часть молекулы была снаружи. Crick попытался заставить Wilkins продолжить дополнительные усилия молекулярного моделирования, но Wilkins не применил этот подход.
В начале 1952 года Wilkins начал серию экспериментов на спермии каракатицы, которые были очень обнадеживающими. «Я... получил гораздо более четкие картины, чем в прошлом году.....когда я встретился с Bragg случайно, я показал ему закономерность очень ясно предложил сильные доказательства спиральной структуры ДНК.....острые картины спермы были очень вдохновляющими и имели особый интерес в том, что сперма была реальными живыми объектами, а не просто очищенной ДНК, извлеченной химиками из живого материала». Wilkins был особенно заинтересован в том, могут ли живые образцы давать значимые дифракционные картины рентгеновских лучей – его результаты показали, что они могли бы.
В течение 1952 года Franklin также отказалась участвовать в усилиях молекулярного моделирования и продолжала работу над пошаговым детальным анализом ее данных дифракции рентгеновских лучей Patterson synthesis. К весне 1952 года Franklin получила разрешение от Randall попросить передачу своей стипендии, чтобы она могла покинуть King's College и работать в лаборатории John Bernal в Birkbeck College, также в London. Franklin оставалась в King's College до середины марта 1953 года.
Linus Pauling опубликовал предложенную, но неправильную структуру ДНК, допустив ту же основную ошибку, которую Watson и Crick допустили год назад. Некоторые из тех, кто работал над ДНК в Соединенном Королевстве, опасались, что Pauling быстро решит структуру ДНК, как только он признает свою ошибку и поместит остовы цепей нуклеотидов снаружи модели ДНК. После марта 1952 года Franklin сосредоточилась на рентгеновских данных для А-формы менее увлажненной ДНК, в то время как Wilkins попытался работать над увлажненной В-формой. Wilkins был инвалидизирован, потому что Franklin имела всю хорошую ДНК. Wilkins получил новые образцы ДНК, но это была не так хороша, как исходный образец, который он получил в 1950 году и который продолжала использовать Franklin. Большинство его новых результатов были для биологических образцов, таких как сперматозоиды, которые также предполагали спиральную структуру ДНК. В июле 1952 года Franklin сообщила ему и Stokes, что ее последние результаты вызвали у нее сомнения в спиральной природе А-формы.
В начале 1953 года Watson посетил King's College, и Wilkins показал ему высокачественное изображение дифракционной картины рентгеновских лучей В-формы, теперь определенной как фотография 51, которую Franklin создала в марте 1952 года. Wilkins показал это изображение, созданное Franklin, без уведомления или получения разрешения от главного исследователя, который создал изображение. Со знанием того, что Pauling работал над ДНК и представил модель ДНК на публикацию, Watson и Crick предприняли еще одно сосредоточенное усилие, чтобы вывести структуру ДНК. Через Max Perutz, его научного руководителя, Crick получил доступ к прогрессивному отчету из King's College, который включал полезную информацию от Franklin об особенностях ДНК, которые она вывела из
