мышах переносились в лабораторную посуду; «новые» гладкие бактерии размножались там и образовывали культуру гладких бактерий, несмотря на то, что являлись потомками трансформированных морщинистых бактерий. Как Гриффит писал в статье, в которой он объявил об этом открытии, «штамм R… превратился в штамм S». Но Гриффит не знал, за счет каких молекул происходило это превращение. Это выяснилось только в 1944 г. в результате новых экспериментов, которые провели ученые, вдохновленные наблюдениями Гриффита[48]. К тому времени кристаллография уже начала рассказывать о строении важных биологических молекул.
В 1930-е гг. все еще считалось, что носителями наследственной информации являются белки, и они стали первыми биомолекулами, которые исследовали при помощи рентгеновской кристаллографии. Кристаллография в итоге показала, что ключевой особенностью этих длинных цепочек из аминокислот является то, каким образом они сворачиваются в сложные трехмерные структуры, которые определяют их биологические свойства.
Первые шаги в этом направлении сделали Джон Бернал (1901–1971) и его коллеги по Кембриджу в 1934 г. Бернал, который в 1920-х гг. работал с Уильямом Брэггом, начал с применения рентгеновской кристаллографии для определения строения графита и бронзы. Но когда он попытался применить эти методы для исследования органических молекул, он столкнулся с проблемой. Кристаллы в основном выращивают в концентрированном растворе, известном как «насыщенный». Кристаллы растут по мере испарения жидкости — как в простых школьных опытах с применением обычной поваренной соли (хлорида натрия) или сульфата меди. Отдельные молекулы или атомы выстраиваются в повторяющиеся ряды «элементарных ячеек» определенного типа, образуя кристаллическую решетку. Исследователи рассчитывали, что смогут получить кристаллы белка таким же способом, позволив очищенному белку выпасть из насыщенного белкового раствора. Но когда белки высушивали, перед тем как подвергнуть рентгеновскому облучению, их структура рассыпалась как карточный домик.
В середине 1930-х гг. оксфордский биохимик Джон Филпот, работавший в то время в Уппсале в Швеции, пытался вырастить кристаллы белка пепсина (пепсин — это пищеварительный фермент, который расщепляет белки в нашей пище). Он приготовил насыщенный раствор с кристаллами, поставил емкость в холодильник в своей лаборатории и уехал отдыхать на лыжный курорт. По возвращении он обнаружил, что его кристаллы очень выросли — некоторые до 2 мм в длину. По чистой случайности лабораторию Филпота тогда же навестил Глен Милликен из Кембриджа, который, по легенде, взглянув на получившийся препарат, сказал: «Я знаю человека, который душу продаст за эти кристаллы». Филпот вырастил их с избытком и великодушно отдал Милликену часть кристаллов прямо в пробирке с насыщенным раствором, чтобы тот отвез ее Берналу в Кавендишскую лабораторию.
В то время Бернал сотрудничал с приглашенной исследовательницей из Оксфорда Дороти Кроуфут (1910–1994), которая позже вышла замуж и стала известна как Дороти Ходжкин. Бернал обнаружил, что влажные свежие кристаллы при облучении поляризованным светом обнаруживают свойство, известное как двойное лучепреломление, что свидетельствует об их упорядоченной кристаллической структуре. Бернал и Кроуфут запечатали подаренные Филпотом кристаллы вместе с раствором в тонкостенной стеклянной трубке (капилляре) и затем облучили их рентгеновскими лучами. Так в 1934 г. был получен первый снимок дифракции рентгеновских лучей на одиночных кристаллах пепсина. Метод герметичных капилляров Бернала оставался стандартным способом рентгенографических исследований крупных биомолекул на протяжении следующих 50 лет.
С самого начала было ясно, что такие снимки в принципе могут пролить свет на структуру самих белковых молекул. Когда Бернал и Кроуфут описывали свой эксперимент в журнале Nature, они отметили:
Теперь, когда получены рентгеновские снимки кристаллов белка, понятно, что у нас есть новый инструмент для их исследования. Изучив структуру всех кристаллических белков, мы сможем прийти к гораздо более детальным выводам о строении белка, чем это позволяли сделать прежние физические или химические методы.
На протяжении следующих двух десятилетий Дороти Ходжкин продолжала изучать важные биологические молекулы методом рентгеновской кристаллографии, за что в 1964 г. ей была присуждена Нобелевская премия по химии[49]. В результате многочисленных исследований ряда ученых выяснилось, насколько сложной структурой обладают эти молекулы жизни. Последовательность аминокислот в цепочке является только первичной структурой белка. Эти цепочки могут закручиваться в мотивы вроде спирали, которые являются вторичной структурой. А спирали и другие мотивы вторичной структуры могут образовывать своего рода трехмерный клубок — третичную структуру. Роль белков в биологических процессах определяется не только их химическим составом, но и конкретной формой этого трехмерного клубка, однако установить эту форму до появления высокоскоростных компьютеров было чрезвычайно сложной и трудоемкой задачей. До 1971 г. ученым удалось полностью определить трехмерное строение всего лишь семи белков; сегодня их число превысило 30 000. Тем не менее в 1944 г., когда было установлено, что «трансформирующий фактор» Фредерика Гриффита — это ДНК, молодая наука биомолекулярная кристаллография была почти готова принять следующий вызов.
После того как в 1928 г. были опубликованы результаты опытов Гриффита, другие исследователи попытались выяснить, чем является то, что передается от одного штамма бактерий к другому. Ключевую роль в этих исследованиях сыграл Освальд Эвери (1877–1955), возглавлявший группу ученых в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке. Эвери изучал пневмонию с 1913 г. и поначалу скептически отнесся к открытию Гриффита, которое на первый взгляд противоречило результатам исследований его коллег по определению различных штаммов пневмококков. Но его собственные эксперименты и эксперименты других групп вскоре подтвердили открытие Гриффита и обозначили новое направление поисков.
В 1931 г. группа Эвери обнаружила, что процесс трансформации может происходить даже без участия мышей. Выращивая пневмококки R в чашках Петри (это стандартный плоский лабораторный сосуд), в которых также находились мертвые пневмококки S, ученые смогли превратить живые пневмококки R в живые пневмококки S. Чтобы определить трансформирующий агент, они сначала последовательно замораживали и нагревали колонии бактерий типа S, чтобы разрушить клетки и получить жидкость, в которой их внутреннее содержимое было смешано с фрагментами их оболочек. Эти фрагменты отделили при помощи вращения пробирок со смесью на центрифуге: плотные фрагменты оболочек оседали на дно, а жидкость с внутренним содержимым оставалась наверху. Этой жидкости оказалось достаточно, чтобы трансформировать пневмококки R в пневмококки S.
Выяснение всех этих подробностей заняло немало времени, но к 1935 г. это было сделано. К следующему этапу исследований Эвери привлек еще двух исследователей — сначала уроженца Канады Колина Маклауда (1909–1972), а затем Маклина Маккарти (1911–2005), чтобы они помогли ему тщательно изучить трансформирующую жидкость. На завершение этой работы у них ушло почти десять лет: они по одному выявляли отдельные компоненты клетки, которые