Уильям Томас Эстбери: Пионер рентгеноструктурного анализа биомолекул

Введение

Английский биохимик Уильям Томас Астбери (англ. William Thomas Astbury FRS; 25 февраля 1898 – 4 июня 1961) был английским физиком и молекулярным биологом, внесшим новаторский вклад в изучение структуры биологических молекул методом рентгеноструктурного анализа. Центр структурной молекулярной биологии в Лидсе назван в его честь. В зрелые годы он был удостоен множества наград и почетных степеней.

Исследования дифракции рентгеновских лучей волоконных белков

В Лидсе Астбери изучал свойства волокнистых веществ, таких как кератин и коллаген, при финансировании от текстильной промышленности. (Шерсть состоит из кератина.) Эти вещества не давали четких дифракционных картин, как кристаллы, но эти картины устанавливали физические ограничения для любых предлагаемых структур. В начале 1930-х годов Астбери показал, что при значительном растяжении (100%) влажной шерсти или волос наблюдаются резкие изменения в дифракции. Данные указывали на то, что нерастянутые волокна имеют спиральную молекулярную структуру с характерным периодом в 5,1 Å (=0,51 нм). Астбери предположил, что (1) нерастянутые молекулы белка образуют спираль (которую он назвал α-формой); и (2) растяжение приводит к раскручиванию спирали, формируя удлиненное состояние (которое он назвал β-формой). Хотя детали моделей Астбери были неверны, их суть оказалась правильной и соответствовала современным представлениям о вторичной структуре – α-спирали и β-листу (номенклатура Астбери сохранилась), которые были разработаны два десятилетия спустя Линусом Полингом и Робертом Кори в 1951 году. Ханс Нейрат первым показал, что модели Астбери не могут быть верными в деталях из-за столкновений атомов. Работа Нейрата и данные Астбери вдохновили Х.С. Тейлора (1941, 1942) и Мориса Хьюгинса (1943) предложить модели кератина, очень близкие к современной α-спирали. В 1931 году Астбери также первым предположил, что внутримолекулярные водородные связи (то есть водородные связи между амидными группами в полипептидной цепи) способствуют стабилизации белковых структур. Его первоначальная идея была с энтузиазмом воспринята многими исследователями, включая Линуса Полинга. Исследования Астбери расширились и охватили рентгеноструктурный анализ многих белков (включая миозин, эпидермин и фибрин), и он смог заключить из их дифракционных картин, что молекулы этих веществ скручены и сложены. Эта работа привела его к убеждению, что лучший способ понять сложность живых систем – изучать форму гигантских макромолекул, из которых они состоят, – подход, который он страстно популяризировал как «молекулярная биология». Его другой большой страстью была классическая музыка, и он однажды сказал, что белковые волокна, такие как кератин в шерсти, – это «избранные инструменты, на которых природа сыграла так много несравненных тем и бесчисленные вариации и гармонии». Эти две страсти объединились в 1960 году, когда он представил рентгеновский снимок, сделанный его ассистентом Элвином Бейтоном, волокна кератинового белка из локона волос, предположительно принадлежавшего Моцарту – одному из любимых композиторов Астбери. Но белки были не единственным биологическим волокном, которое изучал Астбери. В 1937 году Торбьёрн Касперссон из Швеции прислал ему хорошо подготовленные образцы ДНК из телячьей тимусной железы. Тот факт, что ДНК давала дифракционную картину, указывал на то, что она также имеет регулярную структуру, и ее можно было бы определить. Астбери смог получить некоторое внешнее финансирование и нанял кристаллографа Флоренс Белл. Она заметила, что «начало жизни явно связано с взаимодействием белков и нуклеиновых кислот». Белл и Астбери опубликовали рентгеноструктурное исследование ДНК в 1938 году, описывая нуклеотиды как «стопку монет». Астбери и Белл сообщили, что структура ДНК повторяется каждые 2,7 нанометра, а основания лежат плашмя, сложенными друг на друга на расстоянии 0,34 нанометра. На симпозиуме в 1938 году в Колд-Спринг-Харбор Астбери отметил, что расстояние в 0,34 нанометра такое же, как расстояние между аминокислотами в полипептидных цепях. (В настоящее время принятое значение для расстояния между основаниями в форме B ДНК составляет 0,332 нм.) В 1946 году Астбери представил доклад на симпозиуме в Кембридже, в котором сказал: «Биосинтез – это прежде всего вопрос подгонки молекул или частей молекул друг к другу, и одним из величайших биологических достижений нашего времени является осознание того, что, вероятно, самое фундаментальное взаимодействие – это взаимодействие между белками и нуклеиновыми кислотами». Он также сказал, что расстояние между нуклеотидами и расстояние между аминокислотами в белках «не было арифметической случайностью». Работа Астбери и Белл была значимой по двум причинам. Во-первых, они показали, что рентгеновская кристаллография может быть использована для выявления регулярной, упорядоченной структуры ДНК – понимание, которое заложило основу для последующих работ Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин.

At Leeds Astbury studied the properties of fibrous substances such as keratin and collagen with funding from the textile industry. (Wool consists of keratin.) These substances did not produce sharp patterns of spots like crystals, but the patterns provided physical limits on any proposed structures. In the early 1930s, Astbury showed that there were drastic changes in the diffraction of moist wool or hair fibres as they are stretched significantly (100%). The data suggested that the unstretched fibres had a coiled molecular structure with a characteristic repeat of 5.1 Å (=0.51 nm). Astbury proposed that (1) the unstretched protein molecules formed a helix (which he called the α form); and (2) the stretching caused the helix to uncoil, forming an extended state (which he called the β form). Although incorrect in their details, Astbury's models were correct in essence and correspond to modern elements of secondary structure, the α helix and the β strand (Astbury's nomenclature was kept), which were developed twenty years later by Linus Pauling and Robert Corey in 1951. Hans Neurath was the first to show that Astbury's models could not be correct in detail, because they involved clashes of atoms. Neurath's paper and Astbury's data inspired H. S. Taylor (1941,1942) and Maurice Huggins (1943) to propose models of keratin that are very close to the modern α helix. In 1931, Astbury was also the first to propose that mainchain mainchain hydrogen bonds (i. e., hydrogen bonds between the backbone amide groups) contributed to stabilizing protein structures. His initial insight was taken up enthusiastically by several researchers, including Linus Pauling. Astbury's work moved on to include X ray studies of many proteins (including myosin, epidermin and fibrin) and he was able to deduce from their diffraction patterns that the molecules of these substances were coiled and folded. This work led him to the conviction that the best way to understand the complexity of living systems was through studying the shape of the giant macromolecules from which they are made – an approach which he popularised with passion as 'molecular biology'. His other great passion was classical music and once said that protein fibres such as keratin in wool were 'the chosen instruments on which nature has played so many incomparable themes, and countless variations and harmonies' These two passions converged when in 1960 he presented an X ray image taken by his research assistant Elwyn Beighton of a fibre of keratin protein in a lock of hair that was said to have come from Mozart – who was one of Astbury's favourite composers. But proteins were not the only biological fibre that Astbury studied. In 1937 Torbjörn Caspersson of Sweden sent him well prepared samples of DNA from calf thymus. The fact that DNA produced a diffraction pattern indicated that it also had a regular structure and it might be feasible to deduce it. Astbury was able to obtain some external funding and he employed the crystallographer Florence Bell. She recognised that the "beginnings of life [were] clearly associated with the interaction of proteins and nucleic acids". Bell and Astbury published an X ray study on DNA in 1938, describing the nucleotides as a "Pile of Pennies". Astbury and Bell reported that DNA's structure repeated every 2.7 nanometres and that the bases lay flat, stacked, 0.34 nanometres apart. At a symposium in 1938 at Cold Spring Harbor, Astbury pointed out that the 0.34 nanometre spacing was the same as amino acids in polypeptide chains. (The currently accepted value for the spacing of the bases in B form of DNA is 0.332 nm.) In 1946 Astbury presented a paper at a symposium in Cambridge in which he said: "Biosynthesis is supremely a question of fitting molecules or parts of molecules against another, and one of the great biological developments of our time is the realisation that probably the most fundamental interaction of all is that between the proteins and the nucleic acids." He also said that the spacing between the nucleotides and the spacing of amino acids in proteins "was not an arithmetical accident". Astbury and Bell's work was significant for two reasons. Firstly they showed that X ray crystallography could be used to reveal the regular, ordered structure of DNA – an insight which laid the foundations for the later work of Maurice Wilkins and Rosalind Franklin,

Астбери описал работу Авери как «одно из самых замечательных открытий нашего времени», и она вдохновила его на идею о том, что после Второй мировой войны он создаст новое подразделение в Лидсе, которое станет национальным центром для прокладывания пути в новой науке – молекулярной биологии. В письме к вице-канцлеру Лидского университета в 1945 году он заявил, что «вся биология сейчас переходит в молекулярно-структурную фазу. Во всех областях биологии и во всех университетах это должно произойти, и я предлагаю, чтобы Лидс проявил смелость и возглавил этот процесс». К сожалению, не все разделяли его мечту. Сенат университета разрешил ему создать новое подразделение, но не разрешил использовать словосочетание «молекулярная биология» в названии из-за возражений старших биологов, которые считали, что Астбери, как физик, без приглашения посягает на интеллектуальную территорию, которую они по праву считали своей. Сенат также предоставил ему помещение, но оно сильно отличалось от того, на что он надеялся. Его новое подразделение располагалось в викторианском таунхаусе, который требовал существенной перестройки, с неровными полами, из-за которых шаталось точное научное оборудование, неисправной электропроводкой и ненадежной сантехникой, которая иногда приводила к затоплению. К его несчастью, Медицинский исследовательский совет отклонил его заявку на финансирование. Несмотря на эти неудачи, в новом подразделении Астбери произошло два важных события. Первым было выяснение механизма, с помощью которого тромбин действует как протеаза, катализируя образование основного компонента кровяных сгустков, нерастворимого белка фибрина, из его растворимого предшественника фибриногена, Ласло Лорандом, молодым аспирантом, который бежал из родной Венгрии, чтобы присоединиться к Астбери. Работа Лоранда стала важным открытием в понимании процесса образования кровяных сгустков. Вторым событием стала серия новых рентгеновских снимков ДНК формы B, сделанных в 1951 году ассистентом Астбери Элвином Бейтоном, которые, по словам историка науки профессора Роберта Олби, «очевидно, являются знаменитой B-картиной, найденной Розалинд Франклин и Р. Гослингом». Олби ссылался на рентгеновский снимок ДНК формы B, сделанный годом позже Розалинд Франклин и ее аспирантом Рэймондом Гослингом в Королевском колледже, который стал известен как «Фото 51». Несмотря на скромное название, этот снимок сыграл важную роль в истории ДНК, и табличка на стене возле Королевского колледжа в Лондоне называет его «одной из самых важных фотографий в мире». Это связано с тем, что на снимке виден поразительный крестообразный узор черных точек, образованный рентгеновскими лучами при рассеянии ДНК, и когда Джеймс Уотсон впервые увидел фотографию Франклин и Гослинга, этот крестообразный узор так взволновал его, что он сказал: «У меня отвисла челюсть и участился пульс», потому что он знал, что только молекула, свернутая в спираль, может рассеивать рентгеновские лучи, образуя этот конкретный узор. «Фото 51» Франклин и Гослинга предоставило один из нескольких важных ключей к разгадке Уотсоном и Криком, но реакция Астбери на очень похожие рентгеновские снимки ДНК, сделанные Бейтоном, была совершенно иной. Он никогда не публиковал их в журнале и не представлял на научной конференции. Учитывая, что Астбери был таким известным экспертом в рентгеноструктурном анализе биологических молекул, такое очевидное пренебрежение столь важным ключом может показаться удивительным. Одно из объяснений заключается в том, что, хотя Астбери признавал важность ДНК, он не понимал, что биологическая информация…

Astbury described Avery's work as 'one of the most remarkable discoveries of our time' and it inspired him with the vision that, in the aftermath of World War 2, he would established a new department at Leeds that would become a national centre to blaze the trail for the new science of molecular biology. Writing to the Vice Chancellor of the University of Leeds in 1945 he declared that 'all biology, is now passing over into the molecular structural phase In all branches of biology and all universities this thing must come to pass and I suggest that Leeds should be bold and help to lead the way.' Sadly, not everyone shared his dream. The University Senate allowed him to establish a new department but would not allow him to use the phrase 'molecular biology' in the title due to opposition from senior biologists who felt that, as a physicist, Astbury was encroaching without invitation on intellectual territory that they rightfully considered to be their own. The Senate also granted him premises but these were a far cry from what he had hoped for. His new department was housed in a Victorian terraced house that required substantial conversion, with uneven floors that made delicate scientific equipment wobble, a faulty electrical supply and unreliable plumbing that sometimes led to flooding. To add to his woes, the Medical Research Council rejected his application for funding. Despite these set backs, two important developments took place in Astbury's new department. The first was the elucidation of the mechanism by which thrombin acts as a protease to catalyse the formation of the major component of blood clots, the insoluble protein fibrin, from its soluble precursor fibrinogen by Laszlo Lorand, a young PhD student who had fled his native Hungary to join Astbury. Lorand's work was a major discovery in our understanding of the process by which blood clots form. The second development was a series of new X ray photographs of B form DNA taken in 1951 by Astbury's research assistant Elwyn Beighton which the historian of science, Professor Robert Olby has since said was 'clearly the famous B pattern found by Rosalind Franklin and R. Gosling'. Olby was referring to an X ray image of B form DNA that was taken a year later by Rosalind Franklin and her PhD student Raymond Gosling at King's College a year later which came to be known as 'Photo 51' Despite its modest name this image was to play an important role in the story of DNA and a plaque on the wall outside King's College, London hails it as 'one of the most important photographs in the world'. This is because the image shows a striking cross shaped pattern of black spots made by X rays as they are scattered by the DNA fibre and when James Watson was first shown Franklin and Gosling's picture, this cross shaped pattern made him so excited that he said 'my mouth fell open and my pulse began to race', because he knew that only a molecule coiled into a helical shape could scatter X rays to give this particular pattern. Franklin and Gosling's 'Photo 51' provided one of several important clues to Watson and Crick but Astbury's response to Beighton's very similar X ray images of DNA could not have been more different. He never published them in a journal or presented them at a scientific meeting. Given that Astbury was such a renowned expert in X ray studies of biological molecules this apparent neglect of such an important clue may seem surprising. One explanation is that, although Astbury recognised the importance of DNA, he did not understand that biological information was carried in the one dimensional sequence of bases within the molecule but rather, that it resided in subtle and elaborate variations in its three dimensional structure. Far from making his jaw drop and his pulse race, the revelation that DNA was a simple a twisting helix would therefore have been a disappointment but it is intriguing to speculate on how differently history might have unfolded had Astbury shown Beighton's image to his friend and colleague the eminent US chemist and Nobel Laureate, Linus Pauling when he visited Astbury at his home in Headingley, Leeds in 1952. Pauling was, at that time, Watson and Crick's greatest rival in trying to solve the structure of DNA and was desperate to obtain a good quality X ray diffraction image of DNA. In 1952, he had already proposed an incorrect model of DNA based on Astbury and Bell's early work but had Astbury shown Pauling these new images taken by Beighton, it might well have been Caltech, Pasadena and not Cambridge, UK that is today remembered for the discovery of the double helix. Despite this missed opportunity, Astbury, together with Florence Bell, had made a major contribution by showing that the methods of X ray crystallography could be used to reveal the regular, ordered structure of DNA. But perhaps Astbury's greatest scientific legacy was his rather unusual overcoat. In the late 1930s Astbury and his collaborators A. C. Chibnall and Kennet Bailey showed that by chemical treatment, the molecular chains of soluble seed proteins could be refolded to make them into insoluble fibres. The company ICI was so interested in this idea that they built a pilot production plant in Scotland to a new textile fibre called 'Ardil' that was produced by deliberately altering the molecular structure of the main soluble protein component of monkeynuts to refold it into an insoluble fibre in the hope of using this as a cheap and abundant substitute for wool as a raw material in the textile industry. To demonstrate the feasibility of this idea, ICI made an entire overcoat from Ardil which Astbury regularly sported to lectures and in the end, although Ardil did not prove to be the salvation of the British textile industry, it did serve as a powerful illustration of Astbury's conviction that not only could we solve the structure of giant biomolecules such as proteins and DNA using X rays, but that we might also then deliberately manipulate these structures for our own practical purposes. This was an idea which truly came of age in the mid to late 1970s with the rise of recombinant DNA technology by which time Astbury was dead but as his friend and colleague, J. D. Bernal wrote in an obituary to him, 'His monument will be found in the whole of molecular biology'.

Личные качества и история

Астбери был известен своей неизменной жизнерадостностью, идеализмом, воображением и энтузиазмом. Он верно предвидел огромное влияние молекулярной биологии и передавал свое видение студентам, "его эйфорический проповеднический пыл превращал рутинную лабораторную работу в великое приключение". Энтузиазм Астбери мог также объяснять иногда проявлявшуюся в его работах недостаточную научную осмотрительность; Астбери умел представлять спекулятивные интерпретации убедительными. Астбери был прекрасным писателем и лектором; его труды отличаются замечательной ясностью и непринужденным, естественным стилем. Он также любил музыку и играл на фортепиано и скрипке. Астбери познакомился с Франсис Гулд, когда служил в Королевском армейском медицинском корпусе в Корке, Ирландия, во время Первой мировой войны. Они поженились в 1922 году и у них родились сын Билл и дочь Морин.