לידתו של הסליל הכפול

מדע הגנטיקה המולקולרית נולד ב-25 באפריל 1953, היום שבו התפרסם בכתב העת Nature מאמר קצרצר, של עמוד וחצי בלבד, שכתבו החוקרים פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון. המאמר תיאר לראשונה את המבנה התלת-ממדי של ה-DNA – המולקולה המכילה את החומר התורשתי של רוב היצורים החיים בעולמנו – וחשף שמדובר בסליל כפול. הגילוי הזה היה אחת מפריצות הדרך הגדולות של המאה ה-20, ושל המדע בכלל.

שלושה נתיבים נפרדים הובילו לתגלית המהפכנית. שניים מהם נולדו כבר באמצע המאה ה-19 והשלישי בראשית המאה ה-20. המפגש ביניהם החל להסתמן רק שנים אחדות לפני גילויו של הסליל הכפול.

על כתפי ענקים

הצעד הראשון בנתיב הראשון, הגנטי, התרחש בחצר המנזר על שם תומס הקדוש בעיר ברנו שבבוהמיה. הנזיר גרגור מנדל (Mendel) גידל שם שיחי אפונה, יצר הכלאות בין כמה זנים ועקב אחרי התוצאות במשך כמה דורות. בשנת 1865 הוא פרסם את תצפיותיו וקבע שתכונות תורשתיות, כמו צבע האפונים וצורתם, עוברות ביחידות בדידות, כך שהצאצא חולק חלק מהתכונות עם אמו וחלק עם אביו. זאת בניגוד לתפיסה שרווחה אז, לפיה תכונות ההורים מתערבבות ונמהלות זו בזו, והצאצא מציג מעין ממוצע של תכונות הוריו. היחידות הבדידות שגילה מנדל ייקראו לימים גֵנים.

תכונות תורשתיות עוברות ביחידות בדידות. גרגור מנדל עם איור של האפונים שחקר | Sheila Terry, Science Photo Library

את הצעד הראשון בנתיב השני, הכימי, עשה הרופא השוייצרי הצעיר פרידריך מישר (Miescher) ב-1868. בחיפוש אחרי סודות החיים פנה מישר לתאי הדם הלבנים. הוא בודד תאים מתחבושות ספוגות מוגלה שסיפקה מרפאה כירורגית סמוכה למעבדתו בטובינגן וניסה לאפיין את המרכיבים הכימיים של גרעין התא. בתוך כך הוא גילה חומר שלא היה מוכר עד אז, שלימים ייקרא DNA.

לפתיחת נתיב האחרון, הפיזיקלי, אחראי וילהלם רנטגן (Roentgen) מאוניברסיטת וירצבורג בגרמניה. בשנת 1900, בשעה שעשה ניסויים בשפופרות רִיק, הוא זיהה נצנוצים מוזרים על מסך שנמצא הרחק מהשפופרת. שבועיים נוספים של מחקר מאומץ שכנעו אותו שגילה סוג חדש של קרינה, שתיקרא על שמו. התגלית זיכתה אותו בפרס נובל הראשון בפיזיקה.

גילה סוג חדש של קרינה וסלל את הדרך לעולמות חדשים במדעי החיים. וילהלם רנטגן | LIFE Photo Archive

קווים כמעט מקבילים

במשך שני דורות הנתיבים האלה נותרו נפרדים, אך לא עמדו במקום. התחנה המשמעותית הבאה במסלול הגנטי הייתה ההבנה שהמיקום הפיזי של הגנים הוא הכרומוזומים – מבנים מורכבים בגרעין התא, שאצל בני האדם כוללים 23 זוגות. התגלית נמצאה בשורה של מחקרים בשנים 1915-1910 ונקשרת בעיקר בשמו של הביולוג האמריקאי תומס מורגן (Morgan), שגם זכה בזכותה בפרס נובל.

במסלול הכימי הגיע פביוס לֵוִין (Levene) לתחנה משמעותית כשפענח את ההרכב הכימי של ה-DNA ב-1929. לוין נולד בליטא והיגר עם משפחתו לארצות הברית אחרי שהשלים לימודי רפואה בסנקט פטרבורג. במולדתו החדשה פנה למחקר ביוכימי וגילה שיחידת הבסיס של DNA היא נוקלאוטיד המורכב מבסיס חנקני, סוכר וקבוצה זרחתית.

גילה שיחידת הבסיס של DNA היא נוקלאוטיד המורכב מבסיס חנקני, סוכר וקבוצה זרחתית. פביוס לוין | American Philosophical Society, SPL

עם זאת, הוא טעה בקביעת המבנה של המולקולה. לנוקלאוטידים, או בסיסי ה-DNA, יש ארבע צורות שונות, שנקראות אדנין (A), ציטוזין (C), תימין (T) וגואנין (G) ונבדלות זו מזו ביחידה החנקנית שלהם. לוין סבר שהבסיסים מתחברים זה לזה בצורה של טבעת. מבנה כזה לא מאפשר ליצור שרשרת ארוכה בעלת רצף משתנה של בסיסים חנקניים. הטעות גרמה לו, ולמרבית בני דורו, לדחות את האפשרות שה-DNA עשוי להצפין מידע תורשתי.

לשני אלה קדמו שתי תגליות חשובות במסלול הפיזיקלי. ראשית, מקס פון לאואה (von Laue) הגרמני גילה בשנת 1912 שאפשר להשתמש בגבישים לחקר קרני רנטגן, שכן הרווח בין שכבות האטומים בגבישים מתאים בדיוק לאורכי הגל של קרני רנטגן.

שנה לאחר מכן נקטו ויליאם הנרי בראג (Bragg) ובנו ויליאם לורנס בראג בגישה הפוכה: אם לאואה הראה שגבישים מועילים לחקר קרני רנטגן, בראג האב והבן הראו שקרני רנטגן עשויות לסייע לחקר המבנה הכימי של גבישים. בכך הניחו את היסוד למדע הקריסטלוגרפיה, המאפשר לפענח את המבנה התלת ממדי של המולקולות המרכיבות את הגביש באמצעות ניתוח תבנית ההתאבכות של קרני רנטגן, כלומר דפוס הפיזור של הקרניים כאשר הן פוגעות בגביש. על התגליות האלה זכו השלושה בפרסי נובל. עד היום צמד הבראגים הם האב והבן היחידים שחלקו פרס נובל במדעים על עבודה משותפת.

הראו שקרני רנטגן עשויות לסייע לחקר המבנה הכימי של גבישים. ויליאם הנרי בראג (משמאל) ובנו ויליאם לורנס בראג | Nobel foundation

המרוץ נפתח

את פריצת הדרך שרמזה לראשונה על הקשר בין שלושת המסלולים השיג אוסוולד אייברי (Avery) ממכון רוקפלר. בשנת 1944 הוא הוכיח שמידע גנטי מועבר על ידי DNA ולא על ידי חלבונים כפי שסברו עד אז. זמן קצר לאחר מכן רשם הכימאי האוסטרי ארווין שרגף (Chargaff) הישג משמעותי במסלול הכימי, כשגילה את כלל זיווג הבסיסים, כלומר שה-DNA מורכב מזוגות של בסיסים שמספרם תמיד זהה: אדנין וטימין, וציטוזין וגואנין. עד מהרה התברר שמדובר בכלל מפתח להבנת תפקודו של ה-DNA, וגם רמז חשוב לפענוח מבנהו.

המרוץ להבנת ה-DNA הגיע לשיאו, אולם פענוח המבנה של מולקולה מורכבת הוא עניין למומחים בקריסטלוגרפיה, ואינו ניתן לפענוח בשיטות הכימיות הרגילות. שלוש קבוצות עיקריות התייצבו על קו הזינוק: קבוצתו של מוריס וילקינס (Wilkins) בקינגס קולג' שבלונדון, לינוס פאולינג (Pauling) מארצות הברית, שפענח זמן קצר לפני כן מבנה של סליל אלפא, צורה שנראית בחלבונים רבים, ושני מדענים שלא היו מוכרים במיוחד בימים ההם: ג'יימס וטסון (Watson) האמריקאי ופרנסיס קריק (Crick) האנגלי, שעבדו במעבדתו של לורנס בראג בקיימברידג', אנגליה.

קבוצתו של וילקינס זכתה לתגבורת רצינית בדמותה של הקריסטלוגרפית הצעירה רוזלינד פרנקלין (Franklin), שהצליחה להפיק תמונות שבירה מעולות של DNA. התקדמותו של פאולינג הפציפיסט עוכבה כשוועדת הסנאט האמריקאי בראשות הסנטור ג'ו מק'קארתי מנעה ממנו לצאת לכנס חשוב באירופה, בטענה שהוא קומוניסט. אילו השתתף ייתכן שהיה נחשף למידע שהיה מקדם אותו בפענוח מבנה ה-DNA.

פענח את המבנה של סליל אלפא, שנראה בחלבונים רבים. מוריס וילקינס עם מכשיר קרני רנטגן במעבדתו | National Library of Medicine, SPL

סליל כפול על פסים אישיים

היחסים בין שתי הקבוצות האנגליות נעו בין מתח תחרותי לשיתוף פעולה. במסגרת הזאת הצליחו וטסון וקריק לקבל לידיהם את התמונות שצילמה פרנקלין, ללא ידיעתה. בזמן שפרנקלין שקדה על איסוף נתונים קריסטלוגרפיים נוספים, צמד המדענים מקיימברידג' הבינו שמדובר במבנה סלילי והתחילו בבניית מודל. לשם כך הם גזרו מקרטון את צורת המולקולות של הנוקלאוטידים, וניסו לסדר אותם בצורת סליל. יריביהם הפגינו זלזול כלפי הגישה הזאת, שלא נחשבה בעיניהם למדע ראוי.

בין המגחכים בלט שרגף, שפגש את וטסון וקריק שנה קודם לכן. עמיתם הבכיר ג'ון קנדרו (Kendrew) הציע את הפגישה "כי שרגף הוא האיש שיודע הכי הרבה על DNA". התבטאויות של שרגף ושל וטסון מעידות על פגישה טעונה. שרגף כתב בזיכרונותיו: "עד כמה שהבנתי הם ניסו להתאים את ה-DNA לצורה של סליל בלי לדעת מאומה על הכימיה הרלוונטית […] סיפרתי להם כל מה שידעתי. אם הם שמעו על כללי הזיווג לפני כן, הרי שהסתירו זאת. מכיוון שלא נראה שהם ידעו הרבה על דבר כלשהו, לא הופתעתי במיוחד".

וטסון סיפר בריאיון עיתונאי משנת 2002, ביחס לתקופה שבה ניסו להרכיב את המודל: "פרנסיס חזר ושאל, 'מה לגבי הזוגות של שרגף? הייתכן שהם מתחברים זה לזה?' אבל אני לא סבלתי את שרגף מאז שפגשנו אותו שנה קודם לכן. אמרתי לעצמי שאני לא רוצה להשתמש בנתונים שלו במציאת המבנה. [...] זה באמת היה טיפשי".

סליל של גזירי קרטון. וטסון וקריק לצד המודל שלהם, ב-1953 | A. Barrington brown, © Gonville & Caius College, SPL

מקובל לחשוב שהקורבן העיקרי בסיפור הזה הייתה פרנקלין. זה נכון במידה רבה, כי מאמר שלה עם נתונים קריסטלוגרפיים, שהתפרסם באותו גיליון של Nature אחרי המאמר של וטסון וקריק, כמעט ולא עורר תשומת לב, וכך גם מאמר נוסף שלה שהתפרסם כעבור כמה חודשים והביא ראיות "אמיתיות" למבנה הסליל הכפול. ריימונד גוסלינג (Gosling), תלמידה של פרנקלין ושותפה לשני המאמרים, שגם תרומתו לפענוח מבנה ה-DNA נשכחה, סיפר לימים על תגובתה. כששאל אותה אם אינה כועסת על הפרסום והתהילה שבהם זכה הצמד היריב, היא השיבה: "אחרי הכול כולנו עומדים איש על כתפי רעהו".

פרנקלין, שלא הסתדרה עם וילקינס שעמד בראש הקבוצה הלונדונית, נפרדה מעמיתיה זמן קצר אחרי הדרמה של אביב 1953. שנים מעטות לאחר מכן היא מתה מסרטן, בגיל 38 בלבד. גוסלינג סיים את הדוקטורט שלו בהנחיית וילקינס, עזב גם הוא ובסופו של דבר נטש את תחום הביולוגיה המולקולרית. בניגוד לדעה הרווחת, ועדת פרס נובל לא קיפחה את פרנקלין כשחילקה את הפרס על פענוח מבנה ה-DNA, כי בשלב הזה היא כבר לא הייתה בחיים, ופרס נובל לא מוענק לאחר המוות. הוועדה הכירה בתרומת הקבוצה הלונדונית כשצירפה את וילקינס לווטסון וקריק, כשותף לפרס. דומה שגם הפרט הזה שקע בתהומות הנשייה של ההיסטוריה.

וטסון וקריק הסתמכו על התמונות שהשיגה הקריסטלוגרפית המוכשרת. רוזלינד פרנקלין עם מודל ה-DNA | ציור: Bill Sanderson, SPL

לגשת ללב הבעיה

כך הסתיימה הדרמה המדעית והאנושית, כשנראה שההיסטוריה נהגה בשובבות אירונית בהניחה את זרי הניצחון בחיקם של מי שנראו חובבנים חסרי סיכוי. עם זאת, הצוות מקיימברידג' היה ראוי כנראה לתהילה רבה יותר מזאת שזכה לה בפועל.

יותר מכול באה כאן לידי ביטוי המחלוקת ארוכת השנים בין מדע קפדני, המתקדם עקב בצד אגודל על פי כללים בדוקים ומקובלים, לבין ספקולציה נועזת המקדמת את המדע בקפיצות מדרגה. תמונות הקריסטלוגרפיה של פרנקלין וגוסלינג, כמו גם כללי הזיווג של שרגף, סיפקו מפתחות חיוניים לפתרון החידה. עם זאת, יש להודות שהייתה העזה לא מבוטלת בהחלטתם של ווטסון וקריק לגשת היישר אל לב הבעיה בלי להתעכב על "זוטות" כמו איסוף נתונים קריסטלוגרפיים והבנת הכימיה הרלוונטית.