Student World

Před několika dny, 28. července 2004, zemřel britský biolog Francis Crick (1916-2004), který společně s Jamesem Watsonem objevil před 51 lety strukturu nukleových kyselin.

Na počátku příběhu stojí zákony dědičnosti, které formuloval rakouský kněz a přírodovědec Johann Gregor Mendel. V roce 1928 zjistil anglický bakteriolog Frederick Griffiths, že podstatou genů, nositelů dědičných vlastností, je určitá chemická látka. Americký přírodovědec O. Avery se svými spolupracovníky identifikoval tuto látku jako deoxyribonukleovou kyselinu (DNA). Od té doby se vědělo, že genetické informace, které určují jedinečnost každého živého organismu, sídlí právě zde. Aby se dalo zjistit, jakým způsobem v ní je zakódována, bylo nutné odhalit její strukturu. To podařilo trojici vědců, Watsonovi, Crickovi a Wilkinsovi, kteří za svůj fenomenální objev získali v roce 1962 Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství. Dnes nikdo nepochybuje, že pochopení struktury nukleových kysen patří mezi z největší objevy minulého století vůbec.

Francis Harry Compton Crick se narodil 8. července 1916 v anglickém Northamptonu, kde prožil své mládí. V Londýně studoval fyziku, ale jeho studium přerušila druhá světová válka. V jejím průběhu pracoval mladý Crick ve službách britského královského námořnictva na výzkumu magnetických min. V roce 1947 změnil obor a začal studovat biologii na univerzitě v Cambridge, kde se o čtyři roky později seznámil se svým spolupracovníkem Američanem Johnem Watsonem. Jejich spolupráce vrcholila při výzkumu struktury DNA v proslulé Cavedishově laboratoři (http://www.phy.cam.ac.uk).
V době, kdy tam Crick nastoupil, aby dokončil svou disertační práci, vedl tuto laboratoř Sir Lawrence W. Bragg, jenž její vedení převzal v roce 1938 po jaderném fyzikovi Ernestu Rutherfordovi. Lawrence Bragg získal Nobelovu cenu za fyziku již ve svých pětadvaceti letech (společně se svým otcem Williamem Braggem), za výzkum struktury krystalů pomocí rentgenových paprsků. Společně prokázali, stručně řečeno, že paprsek rentgenového záření procházející krystalickou látkou poskytuje obrazce, z nichž lze určit trojrozměrnou strukturu této látky. To ale nemohli tušit, že právě jejich rovnice využívaná při strukturální rentgenové analýze (tzn. při studiu ohybu rentgenových paprsků při průchodu krystaly) způsobí převrat nejen v biologii.

Crick byl temperamentním výzkumníkem, jemuž nechybělo sebevědomí, a Lawrence Bragg si s ním leckdy nevěděl rady. Watson ve své autobiografii prozrazuje, že Crick byl největším postrachem laborky. Jeho chování způsobovalo, že ho Bragg chtěl nejednou vyhodit, ale vždy zůstalo naštěstí jen u hrozeb. Crick byl prý strašlivý experimentátor, zlí jazykové dokonce tvrdí, že nejhorší v dějinách Cavendishovy laboratoře. Dva jeho experimenty údajně skončily vytopením Braggovy pracovny. Crickův veselý smích, podle něhož bylo vždy možné spolehlivě určit, na kterém místě se v okruhu několika kilometrů nachází, děsil jeho nejen bázlivější kolegy, ale i slovutného Bragga, zakladatele moderní krystalografie. Bragg ovšem na druhé straně věděl, že tenhle chlapík má zatraceně dobré nápady, a proto mu mnohé odpustil.

Základním úkolem molekulární biologie na počátku 50. let minulého století bylo objasnění struktury deoxyribonukleové kyseliny. Crick se rozhodl, že tento problém vyřeší. Nejprve poněkud zbrkle navrhl zjednodušený model DNA, přičemž vycházel z rentgenografických studií svého kolegy Maurice Wilkinse. Tento model ale neodpovídal experimentálním faktům. Lawrence Bragg na základě tohoto neúspěšného pokusu Cricka varoval, aby v takové neseriózní práci nepokračoval. „Ostatně, pane kolego,“ obrátil se na Cricka, „nemáte důležitější věci na práci? Co takhle vaše disertace!“ Crickovi bylo totiž v té době už pětatřicet a dosud neměl ani doktorát, tedy základní vědeckou hodnost.
Crick však svého šéfa neposlechl a začal spolupracovat s Jamesem Watsonem, jehož do Cavendishovy laboratoře přivedla stejná touha: přijít na kloub záhadné struktuře deoxyribonukleové kyseliny. Crick a Watson se rozhodli, že sestrojí model zkoumané struktury na základě zevrubného, opakovaného fyzikálního měření. Na otálení nebyl čas, neboť se proslýchalo, že na stanovení struktury DNA pracuje ve Spojených státech Linus Pauling, jenž začal prosazovat model trojité šroubovice. Dvojice úzce spolupracovala jednak s již zmíněným biofyzikem Mauricem Wilkinsem, jednak s chemičkou a výtečnou experimentátorkou Rosalind Franklinovou. (Často se tvrdí, že to byla právě Franklinová, která poprvé načrtla správnou strukturu DNA; Nobelovy ceny se bohužel nedočkala, neboť zemřela v roce 1958 na leukémii.)

Poznámka Pavel Houser: Pokud jste četli nějaký text o Watsonovi či od Watsona, pak ovšem víte, že spolupráce s Franklinovou nebyla rozhodně bezproblémová – a vlastně kdo ví, zda se o nějaké spolupráci dá mluvit. Franklinová nebyla prakticky ochotna komunikovat ani se svým šéfem Wilkinsem.

Spiklenci v Cavendishově laboratoři navzdory přání svého šéfa znovu prozkoumali pomocí rentgenové strukturální analýzy strukturu DNA. Na základě řady fotografií z této analýzy vytvořili v roce 1953 model známé „dvojité šroubovice“, který konečně přinášel odpověď na mnohé otázky související s přenosem dědičných informací.

Tento model má tvar dnes již notoricky známé dvojité závitnice ze dvou paralelně umístěných řetězců, mezi nimiž jsou příčky z dusíkatých bází: adeninu (A), tyminu (T), cytozinu (C) a guaninu (G). Jak se k modelu došlo? Watson a Crick věděli, že model musí obsahovat šroubovice.
Problémem bylo jednak jejich umístění, jednak „zavěšení“ oněch písmen základních bází. Nakonec oříšek rozlouskli tak, že v modelu vložili šroubovice do sebe. Toto řešení vysvitlo z chemické analýzy relativního zastoupení těchto bází v DNA. Ukázalo se totiž, že relativní množství báze A je vždy stejné jako stejné množství T a podobně obsah G odpovídal obsahu C. Právě tento poznatek vedl k poznání způsobu, jakým jsou dvě vlákna šroubovice vázána mezi sebou. Crick a Watson mohli na základě těchto skutečností sestavit model „jakéhosi miniaturního dvojitého schodiště, kde zábradlí tvoří střídavě spojené molekuly kyseliny fosforečné a cukru deoxyribózy, na které jsou připevněny vlastní schody představované dvojicí bází purin-pyrimidin, respektive A-T a G-C“ (W. Bodmer, R. McKie: Kniha člověka).
Takto tedy vypadá molekula života! Nádherně jednoduché! A co víc, výpočty ukázaly, že takto navrhovaný je energeticky výhodný a může podle kvantové chemie existovat. Výsledek svého bádání Watson a Crick popsali ve krátkém, ale o to slavnějším článku ve vědeckém časopise Nature (23. dubna 1953). „Neušlo naší pozornosti,“ napsali, „že specifické párování, které jsme postulovali, bezprostředně nabízí možný mechanismus, kterým se zdvojuje genetický materiál.“ (Text článku „Molecular Structure of Nucleic Acids“ viz http://www.nature.com/genomics/human/watson-crick) Že tento objev, který byl záhy potvrzen na základě dalšího zkoumání v jiných pracovištích, změnil tvář moderní vědy a medicíny, to jistě není třeba zdůrazňovat. Po Darwinově teorii přírodního výběru a Mendelových zákonech dědičnosti je tento objev dalším velkým milníkem na cestě za poznáním.

Poznámka na okraj Pavel Houser (po paměti, prosím nekamenovat :-)): Purinové a pyrimidinové báze jsou spolu spojeny vodíkovými vazbami. Watson a Crick původně uvažovali 2 vodíkové vazby mezi oběma dvojice, Pauling později ukázal, že mezi C a G existují vazby 3. vazba C-G je proto stabilnější a např. u organismů žijících za extrémních teplot převažuje dvojice C-G relativně vůči A-T. Posun směrem k vazbám A-T se také někdy pokládá za příznak chudnutí genofondu, např. u organismů, které nastoupily kariéru parazitů.

V polovině 50. let získal Crick konečně doktorát a krátce nato se stal členem Královské společnosti. Věhlas tohoto rozchechtaného výzkumníka, který dokázal své nadřízené přivést na práh nepříčetnosti, byl ve vědeckém světě ohromný. Působil určitou dobu na Harvardově univerzitě ve Spojených státech. Známé jsou i jeho práce na stanovení struktury určitých proteinů a virů. Později se stal profesorem Ústavu molekulární biologie v britské Cambridgi. Jeho dalším úspěchem, hodným druhé Nobelovy ceny, bylo rozluštění genetického kódu bakteriofágu T 4. Jeho tým navíc již v roce 1961 na základě křížení a mutací tohoto bakteriofágu dokázal, že rozluštění genetického kódu jakéhokoli organismu je uskutečnitelné. Crick přirovnal výše popsané dusíkaté báze (tzv. nukleotidy) k písmenům jazyka, tripletové kodóny ke slovům a polynukleový řetězec k větě. Tak i do biologie vstoupil jazyk informatiky: zrodilo se nové paradigma. Kromě toho Crick společně se Sydneyem Brennerem nalezl elegantní vysvětlení toho, jak čtyřpísmenový jazyk DNA kóduje dvacetipísmenový jazyk bílkovin.

Poznámka Pavel Houser: Crick, Watson i Gamow se ovšem také několikrát mýlili, když zkoumali, jak vlastně tripletům odpovídají aminokyseliny. Nakonec selhalo teoretizování a "matematické modely" a způsob přiřazení (ve skutečnosti nijak zvlášť elegantní, spíše "zbastlený") musel být zjištěn experimentálně.
Crick se např. spletl ve své úvaze o kontrolních součtech (viz)
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/1625E54FEFE3AC91C1256E9700489EBF?OpenDocument&cast=1
Gamow zase uvažoval kód, který nebyl vůbec poziční.
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/8BD56C039DBCE4D0C1256E970048C4CD?OpenDocument&cast=1

Od konce 70. let minulého století pracoval Crick v Salkově ústavu biologických studií v San Diegu (Salk Institute for Biological Studies, http://www.salk.edu) a intenzivně se zabýval neurobiologií: upoutávala ho zejména snaha vysvětlit na základě vědeckých poznatků lidské vědomí.

Poznámka Pavel Houser: Na Science Worldu zveřejníme v tomto týdnu krátký článek vycházející z Crickovy knihy Věda hledá duši, která vychází právě z Crickových zájmů na konci jeho vědecké kariéry.

Francis Crick podlehl 28. července 2004 v kalifornské nemocnici Thorton Hospital rakovině. „Byl to muž, který stál u zrodu zlatého věku molekulární biologie,“ poznamenal Robert May, prezident Královské vědecké společnosti v Londýně, jejímž členem, jak už bylo předznamenáno, byl Crick již od roku 1959. Odešla velká postava vědy 20. století, její odkaz však bude nadále tvořit budoucnost.

Více informací:

Nobelova cena – Medicine 1962
http://www.nobel.se/medicine/laureates/1962/index.html

James Watson and Francis Crick
http://www.time.com/time/time100/scientist/profile/watsoncrick.html

Základní literatura:

Crick, F. H. C.: Of Molecules and Men (Prometheus Books, 2004; original edition 1967)
Crick, F. H. C.: What Mad Pursuit: A Personal View of Science (Basic Books, New York, 1988) – autobiografie
Crick, F. H. C.: The Astonishing Hypothesis: The Scientific Search For The Soul (Scribner reprint edition, 1995)
Watson, J. D.: The Double Helix (Atheneum, New York, 1968)
Bankston J., Crick F. H. C., Watson J. D.: Francis Crick and James Watson: Pioneers in DNA Research (Mitchell Lane Publishers, Inc., 2002)

autor Jan Kapoun