Kod życia. Jennifer Doudna, edycja genów i przyszłość ludzkości ebook

Tytuł oryginału The Code Breaker. Jennifer Doudna, Gene Editing, and the Future of the Human Race

Copyright © 2021 Walter Isaacson

First published in 2021 by Simon & Schuster, 1230 Avenue of the Americas, New York, NY 10020simonandschuster.com

PrzekładMichał Strąkow

Redaktor prowadzącyTomasz Brzozowski

RedakcjaMagdalena Pazura, Pracownia 12A

Konsultacja naukowadr Milena Paw oraz dr Dawid Wnuk

Zakład Biologii Komórki, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego

KorektaAgnieszka Al-Jawahiri, Justyna Charęza

Skład, polska wersja okładkiTomasz Brzozowski

Grafika na wyklejceiStock/vchal

Cytaty otwierające rozdziały

Część pierwsza: Biblia Tysiąclecia, Wydawnictwo Pallottinum, Poznań 2003; Część druga: Henri Poincaré, Nauka i metoda, tłum. M.H. Horowitz, Wydawnictwo Jakuba Mortkowicza, Warszawa 1910; Część trzecia: William Shakespeare, Burza [w:] Dzieła dramatyczne Williama Shakespeare (Szekspira) w dwunastu tomach, tłum. L. Urlich, Gebethner i Wolff, Kraków 1985; Część czwarta: Ajschylos, Prometeusz w okowach [w:] Tragedie, tłum. S. Srebrny, PIW, Warszawa 1954; Część szósta: Mary Shelley, Frankenstein, czyli współczesny Prometeusz, tłum. M. Płaza, Vesper, Czerwonak 2013, Część dziewiąta: Albert Camus, Dżuma, tłum. J. Guze, PIW, Warszawa 2022

Konwersja do wersji elektronicznej Aleksandra Pieńkosz

Copyright © for this edition Insignis Media, Kraków 2023Wszelkie prawa zastrzeżone.

ISBN pełnej wersji 978-83-67710-28-2

Insignis Media ul. Lubicz 17D/21–22, 31-503 Kraków tel. +48 (12) 636 01 [email protected], www.insignis.pl

facebook.com/Wydawnictwo.Insignis

twitter.com/insignis_media (@insignis_media)

instagram.com/insignis_media (@insignis_media)

tiktok.com/insignis_media (@insignis_media)

Pamięci Alice Mayhew i Carolyn ReidyCóż to była za radość, widzieć ich uśmiech.

Wprowadzenie

Naukowcy wkraczają do akcji

Jennifer Doudna nie mogła zasnąć. Władze Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley – uczelni, na której Doudna cieszy się statusem prawdziwej gwiazdy dzięki roli, jaką odegrała w opracowaniu metody edycji genów, czyli tak zwanej metody CRISPR – podjęły decyzję o zamknięciu kampusu z powodu szybko rozprzestrzeniającej się pandemii koronawirusa. Poprzedniego dnia jej syn Andy, uczeń ostatniej klasy liceum, pojechał do Fresno, żeby wziąć udział w zawodach konstruktorów robotów. Doudna, wbrew temu, co podpowiadał jej rozsądek, zgodziła się na wyjazd i podwiozła syna na dworzec. Teraz, o drugiej w nocy, obudziła męża i przekonała go, że powinni natychmiast pojechać do Fresno, żeby zabrać Andy’ego do domu jeszcze przed rozpoczęciem zawodów, w trakcie których tysiąc dwustu młodych uczestników miało zebrać się w pomieszczeniach centrum konferencyjnego. Doudna i jej mąż ubrali się, wsiedli do samochodu, znaleźli czynną o tak późnej porze stację benzynową, po czym wyruszyli w trzygodzinną podróż. Ich jedyny syn nie ucieszył się na widok rodziców, ale ostatecznie zgodził się spakować rzeczy i wrócić do domu. Kiedy wyjeżdżali z parkingu, Andy odebrał wiadomość od kolegów z drużyny: „Zawody odwołane! Wszyscy uczestnicy mają niezwłocznie przygotować się do wyjazdu!”[1].

To była chwila, jak wspomina Doudna, w której zdała sobie sprawę, że jej świat i świat nauki zmieniły się. Amerykański rząd zwlekał z reakcją na zagrożenie w postaci COVID-19, dlatego inicjatywę musieli przejąć profesorowie i doktoranci, uzbrojeni w probówki oraz pipety. Nazajutrz, w piątek 13 marca 2020 roku, Doudna poprowadziła zebranie, w którym wzięli udział jej koledzy i koleżanki z Berkeley, a także inni uczeni z San Francisco Bay Area*. Celem spotkania było przedyskutowanie roli, jaką mieli do odegrania w sytuacji rozprzestrzeniającej się pandemii.

Kilkanaścioro naukowców przeszło opustoszałym kampusem uniwersyteckim w Berkeley do eleganckiego budynku o kamienno-szklanej elewacji, w którym mieści się laboratorium Jennifer Doudny. Pierwszą rzeczą, jaką zrobili po dotarciu na miejsce, było przestawienie krzeseł w sali konferencyjnej na parterze tak, by między siedzącymi zapewnić odległość około dwóch metrów. Następnie uruchomili system wideokonferencyjny, żeby pięćdziesięcioro innych badaczy z pobliskich uczelni mogło dołączyć do zebrania za pośrednictwem aplikacji Zoom. Kiedy przygotowania dobiegły końca, Doudna zwróciła się do swoich koleżanek i kolegów z żarliwością kontrastującą z jej na co dzień spokojnym usposobieniem. „Musimy zrobić coś, czego naukowcy zwykle nie robią”, oświadczyła. „Musimy stanąć na pierwszej linii”[2].

—

Jennifer Doudna, pionierka CRISPR, wydawała się właściwą osobą, by pokierować zespołem do walki z niebezpiecznym wirusem. Opracowana przez nią i jej współpracowników w 2012 roku metoda edycji genów opiera się na mechanizmie obronnym bakterii, które walczą z wirusami od ponad miliarda lat. Bakterie wykształciły w swoim DNA zgrupowane, powtarzające się sekwencje, określane mianem CRISPR, dzięki którym ich komórki są w stanie przechowywać fragmenty obcego, wirusowego DNA. Tym samym zdolne są do zapamiętywania przebytych infekcji wirusowych, a następnie, wykorzystując tę pamięć, do niszczenia atakujących je wirusów. Innymi słowy, bakterie dysponują systemem odpornościowym pozwalającym przystosowywać się do zwalczania nowych fal wirusów – taka zdolność niewątpliwie przydałaby się także nam, żyjącym w czasach, gdy ludzkość, zupełnie jak w średniowieczu, nękają coraz to nowe epidemie wirusowe.

Doudna (której nazwisko wymawia się „dałdna”), jak zawsze znakomicie przygotowana i metodyczna w działaniu, wyświetliła serię slajdów z propozycjami sposobów walki z koronawirusem. Sprawnie kierowała spotkaniem, a zarazem uważnie słuchała tego, co mieli do powiedzenia pozostali uczestnicy. Pomimo sławy i statusu naukowej gwiazdy potrafi sprawić, że inni nie czują się w jej obecności onieśmieleni i nie mają oporów przed dzieleniem się z nią uwagami i opiniami. Opanowała sztukę trzymania się napiętego planu, jednocześnie znajdując czas na pielęgnowanie emocjonalnych więzi.

Zadanie pierwszego powołanego przez Doudnę zespołu polegało na stworzeniu laboratorium, w którym można by wykonywać testy na obecność koronawirusa. Doudna zaproponowała, by na jego czele stanęła dr Jennifer Hamilton, obecnie na stażu podoktorskim, która kilka miesięcy wcześniej poświęciła dzień na nauczenie mnie edytowania ludzkich genów przy użyciu CRISPR. Z satysfakcją, ale też z pewnym niepokojem stwierdziłem wtedy, że to w gruncie rzeczy bardzo proste. Nawet ja umiałem to zrobić!

Zadaniem kolejnego zespołu miało być opracowanie nowych rodzajów testów wykrywających koronawirusa, opartych na systemie CRISPR. W tym przypadku sprawę ułatwiał fakt, że Doudna już przedtem chętnie angażowała się w przedsięwzięcia o charakterze komercyjnym. Trzy lata wcześniej wraz z dwójką swoich doktorantów założyła firmę wykorzystującą CRISPR jako narzędzie do wykrywania chorób wirusowych.

Angażując się w poszukiwanie nowych metod wykrywania koronawirusa, Doudna otwierała kolejny front zaciętego, a zarazem owocnego współzawodnictwa ze swoim naukowym rywalem z drugiego końca kraju.

Feng Zhang, sympatyczny młody naukowiec urodzony w Chinach i wychowany w Iowa, pracuje w Instytucie Broada, placówce badawczej afiliowanej przy MIT i Uniwersytecie Harvarda. W 2012 roku Zhang i Doudna uczestniczyli w wyścigu o przekształcenie CRISPR w narzędzie do edycji genów; od tamtej pory stale rywalizowali o odkrycia naukowe i o pierwszeństwo w komercjalizacji technologii CRISPR. Wybuch pandemii zmobilizował ich do udziału w kolejnym wyścigu – tym razem jednak nie była to pogoń za patentami, lecz dążenie do jak najszybszego osiągnięcia celu dla dobra ludzkości.

Doudna przedstawiła w sumie plany dziesięciu projektów. Zaproponowała kandydatów na liderów każdego z nich i poprosiła pozostałych uczestników spotkania, żeby dołączyli do wybranych przez siebie zespołów. Wszyscy badacze mieli też dobrać się w pary tak, by każdą tworzyły osoby o takim samym zakresie zadań i obowiązków: chodziło o to, by w razie zakażenia wirusem jednej z nich druga mogła kontynuować pracę – system wsparcia rodem z pola walki. Było to ich ostatnie spotkanie w tak licznym gronie. Od tej pory współpraca między zespołami miała odbywać się wyłącznie za pośrednictwem aplikacji Zoom i Slack.

„Chciałabym, żebyśmy wszyscy jak najszybciej zabrali się do pracy”, powiedziała Doudna. „Nie ma czasu do stracenia”.

„Bez obaw”, uspokoił ją jeden z uczestników zebrania. „Nikt nie planuje żadnych podróży”.

Podczas spotkania nie dyskutowano o bardziej odległej perspektywie: możliwości wykorzystania CRISPR do wprowadzenia dziedzicznych modyfikacji w ludzkim genomie, dzięki którym nasze dzieci, a także wszyscy dalsi potomkowie byliby mniej podatni na infekcje wirusowe. Takie genetyczne ulepszenia mogłyby trwale zmienić nasz gatunek.

„Tego rodzaju pomysły należą do sfery science fiction”, stwierdziła z pewnym lekceważeniem Doudna, gdy zagadnąłem ją o to po zakończeniu spotkania w Berkeley. Faktycznie, przyznałem, koncepcja wprowadzania do ludzkiego genomu dziedzicznych zmian wydawała się żywcem wyjęta z powieści Nowy wspaniały świat albo z filmu Gattaca – szok przyszłości. A jednak, tak jak w przypadku każdej dobrej fantastyki naukowej, niektóre jej aspekty stały się już rzeczywistością. W listopadzie 2018 roku pewien młody chiński naukowiec, który brał wcześniej udział w kilku współorganizowanych przez Doudnę konferencjach poświęconych edycji genów, wykorzystał technologię CRISPR do zmodyfikowania ludzkich zarodków i usunięcia z nich genu kodującego receptor umożliwiający infekowanie ludzkich komórek przez wywołującego AIDS wirusa HIV. W rezultacie na świat przyszły bliźniaczki – pierwsze w historii „zaprojektowane dzieci”.

Wieść o przeprowadzonym w Chinach eksperymencie odbiła się szerokim echem; początkowy podziw dla osiągnięcia chińskiego naukowca szybko przerodził się w szok. Zaczęło się załamywanie rąk i zwoływanie komisji. Po ponad trzech miliardach lat ewolucji życia na Ziemi jeden z zamieszkujących ją gatunków (czyli my) rozwinął swój talent i zdobył się na odwagę, by przejąć kontrolę nad własną genetyczną przyszłością. Powszechne było poczucie, że oto przekroczyliśmy próg zupełnie nowej epoki, a być może zupełnie nowego świata; pojawiały się porównania do zjedzenia przez Adama i Ewę zakazanego owocu albo do wykradzenia bogom ognia przez Prometeusza.

Ta nowo nabyta umiejętność wprowadzania zmian w ludzkich genach rodzi fascynujące pytania. Czy powinniśmy zmodyfikować nasz gatunek tak, aby stał się mniej podatny na ataki śmiertelnych wirusów? Cóż to byłoby za dobrodziejstwo! Prawda? A czy powinniśmy wykorzystać edycję genów do wyeliminowania strasznych chorób, takich jak anemia sierpowata, choroba Huntingtona czy mukowiscydoza? To też brzmi dobrze. A co z głuchotą lub ślepotą? Albo z niskim wzrostem? Albo z depresją? Hmmm… Co o tym sądzić? Czy za kilkadziesiąt lat, jeśli będzie to możliwe i bezpieczne, powinniśmy pozwolić rodzicom na zwiększanie ilorazu inteligencji lub muskulatury swojego dziecka? Decydować o kolorze jego oczu? O kolorze skóry? O wzroście?

Hola, hola! Zatrzymajmy się, zanim zaczniemy zsuwać się po tej równi pochyłej w niekontrolowany sposób. Zastanówmy się, jakie mogłoby to mieć konsekwencje dla różnorodności naszych społeczeństw. Jeśli wyposażenie genetyczne przestanie stanowić wynik naturalnej loterii, czy nie osłabi to naszej empatii i akceptacji dla innych? Jeśli oferta genetycznego supermarketu nie będzie darmowa (a możemy być pewni, że nie będzie), czy nie doprowadzi to do znacznego wzrostu społecznych nierówności – a może nawet zakoduje je na stałe w naszym DNA? Czy biorąc pod uwagę te wszystkie wątpliwości, decyzje dotyczące edytowania genów należy pozostawić w gestii jednostek, czy może społeczeństwo jako całość powinno mieć w tej sprawie coś do powiedzenia? Być może należałoby wypracować jakieś zasady.

Mówiąc „my”, mam na myśli nas wszystkich. Każdego z was i mnie samego. Ustalenie, czy i kiedy powinniśmy modyfikować swoje geny, będzie jedną z najważniejszych kwestii dwudziestego pierwszego wieku, dlatego uznałem, że warto postarać się zrozumieć, na czym to właściwie polega. Podobnie kolejne fale epidemii wirusów sprawiają, że ważne staje się zrozumienie nauk przyrodniczych. Z odkrywania i pojmowania, jak coś działa, możemy czerpać radość, zwłaszcza gdy owym czymś jesteśmy my sami. Doudna delektowała się tą radością i my też możemy to robić. O tym właśnie jest ta książka.

Wynalezienie CRISPR i pandemia COVID-19 przyspieszą trzecią wielką rewolucję naszych czasów. Rewolucje te stanowią następstwo zapoczątkowanego nieco ponad sto lat temu procesu odkrywania trzech podstawowych elementów naszej egzystencji: atomu, bitu i genu.

Pierwsza połowa XX wieku, począwszy od opublikowanych w 1905 roku prac Alberta Einsteina na temat teorii względności i teorii kwantowej, była okresem rewolucji napędzanej przez fizykę. W ciągu pięciu dekad, które nastąpiły po cudownym roku 1905, teorie Einsteina doprowadziły do odkrycia energii jądrowej i powstania bomb atomowych, a także tranzystorów, statków kosmicznych, laserów i radarów.

Druga połowa XX wieku była erą technologii informacyjnej, opartej na założeniu, że wszystkie informacje można zakodować za pomocą cyfr binarnych (zwanych bitami), a wszystkie operacje logiczne da się przeprowadzać za pomocą złożonych układów z odpowiednim zestawem przełączników. Doprowadziło to do powstania w latach pięćdziesiątych XX wieku mikroprocesora, komputera i internetu. Połączenie tych trzech wynalazków dało początek rewolucji cyfrowej.

Obecnie wkroczyliśmy w trzecią, jeszcze bardziej doniosłą erę – rewolucję biologiczną. Do dzieci studiujących kod cyfrowy dołączą te, które będą studiować kod genetyczny.

W latach dziewięćdziesiątych ubiegłego wieku, gdy Doudna była jeszcze doktorantką, główną ambicję biologów stanowiło opracowanie mapy ludzkich genów kodowanych przez DNA. Doudnę bardziej od DNA interesowała jednak jego siostrzana, mniej znana cząsteczka – RNA. To właśnie RNA wykonuje faktyczną pracę w komórce, kopiując instrukcje genetyczne zakodowane w DNA, a następnie wykorzystując je do syntezy białek. Dążenie do poznania i zrozumienia roli RNA doprowadziło Doudnę do najbardziej fundamentalnego ze wszystkich pytań: jak powstało życie? Wyniki prowadzonych przez nią badań nad zdolnością pewnych cząsteczek RNA do samoreplikacji wzmocniły hipotezę, według której z pierwotnej zupy, czyli chaotycznej mieszaniny podstawowych związków chemicznych istniejącej na naszej planecie cztery miliardy lat temu, wyłoniły się cząsteczki RNA i zaczęły się kopiować, zanim jeszcze doszło do powstania pierwszych łańcuchów DNA.

Po objęciu stanowiska kierowniczki laboratorium biochemicznego na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley Doudna kontynuowała badania nad cząsteczkami stanowiącymi podstawę wszelkich form życia, skupiając się przede wszystkim na poznawaniu ich struktury. Przy rozwiązywaniu zagadek biologicznych najbardziej podstawowych wskazówek dostarcza odkrycie sposobu, w jaki rozmaite fałdy, skręcenia i zgięcia w strukturze danej cząsteczki wpływają na jej interakcje z innymi cząsteczkami. Dlatego Doudna postawiła sobie za cel określenie dokładnej struktury i trójwymiarowego kształtu cząsteczek RNA. Było to zadanie podobne do tego, którego w przeszłości podjęła się Rosalind Franklin – jej badania nad strukturą przestrzenną DNA przyczyniły się do odkrycia przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka podwójnej helisy DNA w 1953 roku. A skoro już o Jamesie Watsonie mowa – ta skomplikowana postać jeszcze wielokrotnie pojawi się na kartach niniejszej książki, tak jak pojawiała się w życiu i karierze naukowej naszej bohaterki.

Odkrycia Doudny i jej ekspercka wiedza na temat RNA skłoniły pewną biolożkę z Berkeley do nawiązania kontaktu i zaproponowania współpracy przy badaniach nad CRISPR – systemem odpornościowym wykształconym przez bakterie do walki z wirusami. Podobnie jak w przypadku wielu odkryć z zakresu nauk podstawowych, okazało się, że ma on różne zastosowania praktyczne. Niektóre z nich były dość prozaiczne, na przykład ochrona przed infekcjami wirusowymi kultur bakterii wykorzystywanych do produkcji jogurtów. W 2012 roku Doudna i inni badacze odkryli jednak o wiele bardziej zdumiewające zastosowanie systemu CRISPR: wykazali, że może on zostać przekształcony w narzędzie do edycji genów.

CRISPR obecnie używa się w leczeniu anemii sierpowatej, nowotworów i ślepoty. W 2020 roku Doudna i działające pod jej kierunkiem zespoły badawcze zaczęły szukać sposobu na wykorzystanie tej metody do wykrywania i niszczenia koronawirusów. „System CRISPR wyewoluował u bakterii, ponieważ toczyły one odwieczną wojnę z wirusami”, wyjaśnia Doudna. „My, ludzie, nie mamy czasu czekać, aż nasze komórki wykształcą naturalną odporność na koronawirusa, dlatego musimy im w tym pomóc, wykorzystując naszą pomysłowość. Znamienny jest fakt, że jedno z narzędzi, jakimi się posługujemy, stanowi bakteryjny system odpornościowy CRISPR. To przykład tego, jak piękna potrafi być natura”. Ach, tak. Zapamiętajcie to zdanie: „Natura jest piękna”. To jeden z przewodnich motywów tej książki.

Oprócz Doudny w dziedzinie edycji genów można wskazać także inne gwiazdy. Większość z nich zasługuje na własną biografię, a może nawet na film (coś w rodzaju połączenia Pięknego umysłu z Parkiem Jurajskim). Poświęciłem im w tej książce sporo miejsca, ponieważ chciałem pokazać, że nauka jest grą zespołową. Ale chciałem również uwidocznić, jak duży wpływ może wywrzeć na nią wytrwała, dociekliwa, uparta i nastawiona na rywalizację jednostka. Jennifer Doudna, której uśmiech maskuje (choć nie zawsze skutecznie) jej ostrożną rezerwę, okazała się świetną główną bohaterką. Jak każdy naukowiec, wykazuje instynktowną gotowość do współpracy, a zarazem w jej charakterze zakorzeniona jest skłonność do rywalizacji – cecha większości wielkich innowatorów. Potrafi starannie kontrolować emocje i z wdziękiem radzi sobie ze statusem naukowej gwiazdy.

W jej życiorysie badaczki, laureatki Nagrody Nobla i intelektualistki zabierającej głos w sprawach publicznych historia badań nad CRISPR splata się z bardziej ogólnymi wątkami, takimi jak rola kobiet w nauce. Dorobek Doudny, podobnie jak dorobek Leonarda da Vinci, stanowi przykład tego, że kluczem do innowacji jest umiejętne połączenie ciekawości, skłaniającej do prowadzenia badań podstawowych, z tworzeniem narzędzi, które można wykorzystać w praktyce – w przypadku Doudny pozwoliło to przełożyć odkrycia dokonane przy stole laboratoryjnym na terapie znajdujące zastosowanie przy łóżku pacjenta.

Opowiadając jej historię, mam też nadzieję przybliżyć czytelnikom sposób, w jaki działa nauka. Co tak naprawdę dzieje się w laboratorium? W jakim stopniu odkrycia zależą od indywidualnego geniuszu, a w jakim od pracy zespołowej? Czy rywalizacja o nagrody i patenty wpłynęła negatywnie na współpracę między naukowcami?

Przede wszystkim jednak pragnę podkreślić znaczenie nauk podstawowych, czyli poszukiwań prowadzonych pod wpływem ciekawości, a nie z pobudek praktycznych. Badania nad cudownymi fenomenami natury, motywowane czystą ciekawością, zasiewają ziarno, z którego kiełkują przyszłe innowacje i nowe technologie**. Tak jak badania podstawowe z zakresu fizyki powierzchni półprzewodników przyczyniły się do wynalezienia tranzystora i mikroprocesora, tak badania nad niesamowitym mechanizmem wykorzystywanym przez bakterie do obrony przed wirusami doprowadziły ostatecznie do stworzenia narzędzi do edycji genów oraz do opracowania technik, które ludzkość może stosować we własnych zmaganiach z wirusami.

Będzie to opowieść pełna wielkich pytań, zarówno tych dotyczących początków życia na Ziemi, jak i przyszłości naszego gatunku. A wszystko zaczęło się w dniu, gdy mieszkająca na Hawajach szóstoklasistka, uwielbiająca spędzać wolne chwile na myszkowaniu między wulkanicznymi skałami w poszukiwaniu śpiącej trawy i innych cudów natury, wróciła ze szkoły do domu i znalazła na swoim łóżku detektywistyczną książkę o ludziach, którzy odkryli coś, co sami nazwali – z niewielką tylko dozą przesady – „sekretem życia”.

Część pierwsza

Pochodzenie życia

A zasadziwszy ogród w Eden na wschodzie, Pan Bóg umieścił tam człowieka, którego ulepił. Na rozkaz Pana Boga wyrosły z gleby wszelkie drzewa miłe z wyglądu i smaczny owoc rodzące oraz drzewo życia w środku tego ogrodu i drzewo poznania dobra i zła.

Księga Rodzaju 2,8–9

Rozdział 1

Hilo

Haole

Gdyby Jennifer Doudna spędziła dzieciństwo w jakimkolwiek innym zakątku Ameryki, mogłaby dorastać w poczuciu, że jest zupełnie zwyczajnym dzieckiem. Ale w Hilo, mieście położonym w najeżonej wulkanami części Big Island, czyli największej z wysp Archipelagu Hawajskiego, blond włosy, niebieskie oczy i tyczkowata sylwetka Jennifer sprawiały, że czuła się ona – jak sama później przyznała – „kompletnym dziwolągiem”. Rówieśnicy, a zwłaszcza chłopcy, dokuczali jej, ponieważ w odróżnieniu od nich miała przedramiona pokryte meszkiem drobnych włosków. Jennifer musiała też przywyknąć do tego, że inne dzieci nazywały ją „haole” – tym słowem rdzenni mieszkańcy Hawajów określają osoby pochodzące spoza archipelagu; co prawda określenie to nie jest tak obraźliwe, jak mogłoby się wydawać, ale ma raczej pejoratywny wydźwięk. Te przykre doświadczenia pozostawiły po sobie trwały ślad – Jennifer wyrosła na pogodną i ujmującą osobę, pod jej przyjaznym usposobieniem kryje się jednak pewna doza nieufności[1].

Ważną część rodzinnej tradycji, kultywowanej przez Jennifer oraz jej krewnych, stanowi historia jej prababci. Przodkini Jennifer wychowała się w wielodzietnej rodzinie z pięciorgiem rodzeństwa: trzema braćmi i dwiema siostrami. Ponieważ rodzice nie mogli sobie pozwolić na pokrycie kosztów edukacji całej szóstki, postanowili zapewnić solidne wykształcenie przynajmniej swoim trzem córkom. Jedna z nich została później nauczycielką w Montanie i prowadziła dziennik, który w rodzinie Jennifer przekazywany był z pokolenia na pokolenie. Strony dziennika pełne są opowieści o niezłomnej walce z przeciwnościami, o pogruchotanych kościach, o pracy w rodzinnym sklepie – krótko mówiąc, jest to zbiór wspomnień typowych dla ówczesnych mieszkańców amerykańskiego pogranicza. „To była szorstka w obyciu, nieustępliwa kobieta, która miała w sobie ducha amerykańskich osadników”, stwierdziła Sarah, siostra Jennifer Doudny, sprawująca obecnie pieczę nad dziennikiem.

Jennifer, tak jak jej prababcia, ma dwie siostry, nie ma natomiast braci. Jako pierworodne dziecko była szczególnie hołubiona przez ojca, Martina Doudnę, który mówiąc o swoich córkach, używał czasem określenia „Jennifer i dziewczynki”. Jennifer urodziła się 19 lutego 1964 roku w Waszyngtonie, gdzie jej ojciec pracował dla Departamentu Obrony jako autor przemówień. Martin Doudna marzył jednak o karierze wykładowcy literatury amerykańskiej, dlatego wraz ze swoją żoną Dorothy, nauczycielką w szkole policealnej, przeprowadził się do Ann Arbor i rozpoczął studia doktoranckie na Uniwersytecie Michigan.

Po uzyskaniu doktoratu wysłał podania o pracę do pięćdziesięciu różnych uczelni. Otrzymał tylko jedną pozytywną odpowiedź – z Uniwersytetu Hawajskiego z siedzibą w Hilo. Aby pokryć koszty kolejnej przeprowadzki, pożyczył 900 dolarów z funduszu emerytalnego żony i w sierpniu 1971 roku zamieszkał z rodziną w Hilo. Jennifer miała wtedy siedem lat.

—

Dla wielu twórczych jednostek – w tym dla Leonarda da Vinci, Alberta Einsteina, Henry’ego Kissingera i Steve’a Jobsa, czyli dla większości bohaterów napisanych przeze mnie biografii – okres dorastania naznaczony był poczuciem wyobcowania. Nie inaczej było w przypadku Jennifer Doudny, jasnowłosej dziewczynki, która czuła się obco pośród swoich polinezyjskich rówieśników. „W szkole byłam bardzo, bardzo samotna i wyalienowana”, wspomina. W trzeciej klasie ostracyzm ze strony szkolnych kolegów i koleżanek doskwierał jej do tego stopnia, że zaczęła cierpieć na zaburzenia pokarmowe. „Miałam różne problemy z trawieniem, które, jak sobie później uświadomiłam, były skutkiem stresu. Dzieci w szkole dokuczały mi każdego dnia”. Ucieczki szukała w książkach; otoczyła się też wewnętrzną barierą, która miała chronić ją przed gnębicielami. „Jest taka część mnie, do której inni nigdy nie będą mieć dostępu”, powiedziała sobie.

Podobnie jak wielu innych outsiderów, Doudna miała potrzebę szukania odpowiedzi na pytanie o pozycję człowieka we wszechświecie. „Formującym doświadczeniem były dla mnie próby zrozumienia, kim jestem w świecie i jak mogę znaleźć w nim swoje miejsce”, wspominała później[2].

Na szczęście to poczucie alienacji nie zakorzeniło się w niej nazbyt głęboko. Jej szkolne życie stało się w końcu bardziej znośne, a ona sama nauczyła się pielęgnować w sobie przyjazne nastawienie wobec innych; emocjonalne rany doznane we wczesnym dzieciństwie z czasem się zabliźniły. W późniejszych latach blizny te zaczynały niekiedy na nowo pulsować bólem – na przykład wtedy, gdy partner w interesach ukrył przed nią pewne fakty czy starał się wprowadzić ją w błąd albo gdy usiłowano nie dopuścić do rejestracji jej wniosku patentowego – ale takie sytuacje należały do rzadkości.

Rozkwit

Początkiem zmian na lepsze była dla Jennifer przeprowadzka ze śródmieścia Hilo do nowo wybudowanego osiedla bliźniaczo podobnych domów, położonego na zalesionym zboczu wulkanu Mauna Loa. Jennifer rozpoczynała wtedy drugi semestr nauki w trzeciej klasie szkoły podstawowej. Przeprowadzka wiązała się ze zmianą szkoły na mniejszą. W poprzedniej szkole klasa Jennifer liczyła sześćdziesięcioro uczniów, teraz trafiła do klasy dwudziestoosobowej. W jej planie lekcji pojawił się nowy przedmiot, historia Stanów Zjednoczonych, dzięki któremu Jennifer poczuła się mniej wyobcowana. „To był punkt zwrotny”, wspominała. Radziła sobie tak dobrze, że wkrótce po rozpoczęciu kolejnego roku szkolnego jej rodzice za radą nauczycielki matematyki i nauk przyrodniczych podjęli decyzję o przeniesieniu Jennifer z piątej do szóstej klasy.

Tego samego roku Doudna zawarła pierwszą bliską przyjaźń, która trwa do dzisiaj. Lisa Hinkley (obecnie Lisa Twigg-Smith) tak jak wielu mieszkańców Wysp Hawajskich pochodzi z rodziny o mieszanych korzeniach: w jej żyłach płynie szkocka, duńska, chińska i polinezyjska krew. Lisa umiała radzić sobie ze szkolnymi prześladowcami. „Kiedy ktoś nazywał mnie p******oną haole, kuliłam się w sobie”, wspomina Doudna. „Za to Lisa stawiała czoła każdemu, kto próbował ją obrażać i odpłacała mu pięknym za nadobne. Pragnęłam być taka jak ona”. Pewnego dnia podczas lekcji nauczycielka zadała uczniom pytanie, kim chcieliby zostać, gdy dorosną. Lisa oświadczyła, że chce zostać spadochroniarką. „Pomyślałam wtedy: »To było super«. Ja sama nigdy nie zdobyłabym się na taką odpowiedź. Lisa miała w sobie mnóstwo śmiałości, której mnie brakowało. Obiecałam sobie, że spróbuję być równie odważna”.

Doudna i Hinkley spędzały popołudnia na rowerowych przejażdżkach i wędrówkach po polach trzciny cukrowej. Była to dla nich okazja do przyglądania się z bliska bujnej i różnorodnej przyrodzie: rozmaitym gatunkom mchów i grzybów, drzewom brzoskwiniowym i cukrowym palmom. Podczas swoich wypraw natrafiały na łąki usiane kamieniami wulkanicznymi, z których wyrastały paprocie. Obserwowały bezokie pająki zamieszkujące wydrążone przez lawę jaskinie. Doudna zastanawiała się, jak powstały te stworzenia. Intrygowała ją także hilahila, ciernista roślina zwana śpiącą trawą*, ponieważ jej podobne do paproci listki składają się pod wpływem dotyku. „Zadawałam sobie pytanie: co sprawia, że te liście zwijają się, kiedy ich dotykam?”[3]

Wszyscy stykamy się na co dzień z rozmaitymi cudami natury, czy to w postaci roślin reagujących ruchem na bodźce, czy różowych smug na atramentowym niebie podczas zachodu słońca. Prawdziwa ciekawość polega na tym, by zastanowić się nad przyczynami takich zjawisk. Dlaczego niebo jest błękitne, a światło zachodzącego słońca różowe; co sprawia, że liść śpiącej trawy się kurczy?

Doudna wkrótce znalazła kogoś, kto mógł pomóc jej odpowiedzieć na tego typu pytania. Jej rodzice przyjaźnili się z wykładowcą biologii, profesorem Donem Hemmesem, i wraz z dziećmi towarzyszyli mu w jego pieszych wycieczkach. „Urządzaliśmy sobie wypady do doliny Waipio i innych zakątków Big Island w poszukiwaniu grzybów, które były głównym przedmiotem moich naukowych zainteresowań”, wspomina Hemmes. Po sfotografowaniu znalezionych okazów Hemmes wyciągał leksykony grzybów i pokazywał Doudnie, jak rozpoznawać poszczególne gatunki. Zbierał też na plażach maleńkie muszelki, a następnie razem z Doudną klasyfikowali je i wspólnie zastanawiali się, w jaki sposób wyewoluowały.

Ojciec Doudny kupił jej konia, kasztanowego wałacha, którego imię – Mokihana – pochodziło od nazwy hawajskiego drzewa o aromatycznych owocach. Doudna dołączyła do drużyny piłki nożnej jako skrzydłowa; była to pozycja, na którą trudno znaleźć odpowiednią kandydatkę – biegaczkę z długimi nogami, o wyjątkowej wytrzymałości. „To dobra analogia do tego, jak podchodziłam później do mojej pracy zawodowej”, stwierdziła Doudna. „Zawsze starałam się znaleźć sobie niszę, w której mało kto mógł ze mną konkurować, taką, by nie było w niej zbyt wielu osób z umiejętnościami podobnymi do moich”.

Jej ulubionym przedmiotem była matematyka, ponieważ przeprowadzanie dowodów i korzystanie z nich przypominało jej pracę detektywistyczną. Biologii uczyła ją Marlene Hapai, pogodna i pełna pasji nauczycielka, która potrafiła zaszczepić w swoich uczniach radość z odkrywania świata. „Pokazała nam, że nauka to proces znajdowania odpowiedzi”, wspomina Doudna.

Nauka szła jej dobrze, ale w małej szkole, do której uczęszczała, nie stawiano uczniom zbyt dużych wymagań. „Nie miałam poczucia, że nauczyciele wiele ode mnie oczekiwali”, przyznaje Doudna. Interesująca była jej reakcja na taki stan rzeczy: wobec braku szkolnych wyzwań, Doudna zaczęła sama rozglądać się za nowymi. „Myślałam sobie: dlaczego nie miałabym spróbować, w końcu co mi szkodzi”, wspomina. „Stałam się bardziej skłonna do podejmowania ryzyka, co przełożyło się na moją karierę naukową, a zwłaszcza na wybór projektów, którymi zamierzałam się zajmować”.

Osobą zachęcającą ją do podejmowania wysiłku był jej ojciec. Uważał najstarszą córkę za swoją bratnią duszę i widział w niej przyszłą intelektualistkę, która po ukończeniu studiów rozpocznie karierę akademicką. „Zawsze czułam się trochę jak syn, którego pragnął mieć”, wspomina Doudna. „Traktował mnie nieco inaczej niż moje siostry”.

Podwójna helisa Jamesa Watsona

Ojciec Doudny był zapalonym czytelnikiem i w każdą sobotę wypożyczał z miejscowej biblioteki stos książek, którymi zaczytywał się do kolejnego weekendu. Jego ulubionymi pisarzami byli Emerson i Thoreau. Kiedy Jennifer podrosła, uświadomił sobie, że autorami większości książek, jakie omawiał ze studentami na zajęciach, byli mężczyźni. Postanowił więc rozszerzyć kanon lektur o książki Doris Lessing, Anne Tyler i Joan Didion.

Niektóre z wypożyczonych z biblioteki albo kupionych w antykwariacie pozycji podsuwał Jennifer. Kiedy Doudna była w szóstej klasie, pewnego dnia po powrocie ze szkoły znalazła na swoim łóżku używany egzemplarz Podwójnej helisy Jamesa Watsona w miękkiej okładce.

Początkowo odłożyła książkę na bok, przekonana, że jest to kolejna powieść detektywistyczna. Kiedy w deszczowe sobotnie popołudnie zabrała się w końcu do lektury, odkryła, że w pewnym sensie jej przypuszczenie było słuszne. Szybko pochłaniała kolejne strony, zafascynowana pełną barwnych postaci, dramatyczną, a przy tym głęboko osobistą opowieścią o ambicji i współzawodnictwie w przypominającym rozwiązywanie kryminalnych zagadek odkrywaniu prawd natury. „Kiedy skończyłam czytać, dyskutowaliśmy o tej książce z ojcem”, wspomina. „Spodobała mu się przedstawiona w niej historia, a przede wszystkim jej bardzo osobisty charakter – ukazanie ludzkiej strony badań naukowych”.

W swojej książce Watson kreśli udramatyzowany (momentami do przesady) opis wydarzeń, jakie działy się od momentu, gdy jako dwudziestoczteroletni zarozumiały student biologii z amerykańskiego Środkowego Zachodu trafił na Uniwersytet Cambridge, gdzie zaprzyjaźnił się z biochemikiem Francisem Crickiem, aż do roku 1953, gdy wspólnie z Crickiem wygrali międzynarodową rywalizację naukowców i jako pierwsi odkryli strukturę DNA. Watson, arogancki Amerykanin, który opanował do perfekcji typowo angielską sztukę bycia nadmiernie skromnym i chełpliwym jednocześnie, zdołał przemycić w swojej książce sporą dozę naukowych informacji, zgrabnie połączonych z anegdotami o dziwactwach sławnych wykładowców, a także opisami codziennych przyjemności i rozrywek; w jego wspomnieniach wzmianki o flirtach, grze w tenisa i popołudniowych herbatkach przeplatają się z relacjami z doświadczeń laboratoryjnych.

Obok postaci samego Watsona, który w swojej książce przywdział skromny kostium naiwnego szczęściarza, drugą najbardziej interesującą bohaterką Podwójnej helisy jest Rosalind Franklin, specjalistka w dziedzinie biologii strukturalnej i krystalografii, która w toku swoich badań zebrała istotne dane eksperymentalne, wykorzystane następnie bez jej zgody przez Watsona. Pisząc o niej, Watson w duchu seksizmu typowego dla lat pięćdziesiątych XX wieku nazywa ją protekcjonalnie „Rosy”, czyli zdrobniałą formą imienia, której ona sama nigdy nie używała; nabija się też z jej surowej powierzchowności i chłodnego sposobu bycia. Zarazem jednak wypowiada się z uznaniem o naukowych dokonaniach Franklin i jej mistrzowskim opanowaniu techniki dyfrakcji promieni rentgenowskich, która umożliwiła zrozumienie struktury cząsteczek chemicznych.

„Chyba zauważyłam, że traktowano ją nieco protekcjonalnie, ale najbardziej uderzyło mnie to, że kobieta może być świetnym naukowcem”, wspomina Doudna. „Możliwe, że zabrzmi to trochę dziwnie. Musiałam przecież już wcześniej słyszeć o Marii Skłodowskiej-Curie. Ale dopiero podczas lektury tamtej książki po raz pierwszy naprawdę to do mnie dotarło i otworzyły mi się oczy. Uświadomiłam sobie, że kobiety mogą być naukowcami”[4].

Dzięki książce Watsona Doudna dostrzegła również pewną cechę świata przyrody, która wydała jej się logiczna i zachwycająca jednocześnie. Zdała sobie sprawę z istnienia biologicznych mechanizmów rządzących żywymi organizmami; przejawem działania owych mechanizmów było fascynujące zjawisko, które przykuło jej uwagę podczas wędrówek po hawajskich lasach deszczowych. „Dorastając na Hawajach, lubiłam szukać z tatą przyrodniczych ciekawostek, takich jak śpiąca trawa, której liście zwijają się pod wpływem dotyku”, wspomina Doudna. „Książka Watsona unaoczniła mi, że możemy z powodzeniem szukać przyczyn, dla których natura działa w taki, a nie inny sposób”.

Istotny wpływ na późniejszą karierę naukową Doudny wywarło spostrzeżenie stanowiące sedno Podwójnej helisy: kształt oraz struktura cząsteczki chemicznej determinują jej funkcję biologiczną. Uświadomienie sobie tego faktu jest niezwykle istotne dla każdego, kogo interesuje odkrywanie fundamentalnych tajemnic życia. Pozwala bowiem zrozumieć, w jaki sposób chemia – nauka o łączeniu się atomów i tworzeniu przez nie większych cząsteczek – staje się biologią.

W szerszym sensie karierę Doudny ukształtowało również przekonanie, że Podwójna helisa rzeczywiście miała wiele wspólnego z uwielbianymi przez nią powieściami detektywistycznymi. „Zawsze lubiłam czytać o rozwiązywaniu zagadek kryminalnych”, stwierdziła wiele lat później. „Być może tłumaczy to moją fascynację nauką, która jest próbą rozwikłania przez ludzkość odwiecznej tajemnicy: genezy i funkcjonowania świata przyrody, a także naszego w nim miejsca”[5].

Chociaż w szkole, do której uczęszczała, nie zachęcano dziewcząt, by zostały w przyszłości naukowcami, Doudna wybrała właśnie tę ścieżkę kariery. Wiedziona żarliwym pragnieniem zrozumienia praw natury, a także gotowością do rywalizacji w przekuwaniu naukowych odkryć w wynalazki, stała się współtwórczynią przełomowego narzędzia, które Watson z charakterystyczną dla siebie arogancją ukrytą pod płaszczykiem skromności nazwał później w rozmowie z Doudną najważniejszym osiągnięciem w dziedzinie nauk biologicznych od czasu odkrycia podwójnej helisy.

Rozdział 2

Gen

Darwin

Pierwsze kroki na ścieżce, która doprowadziła Watsona i Cricka do odkrycia struktury DNA, zostały postawione sto lat wcześniej, w latach pięćdziesiątych XIX wieku, kiedy to angielski przyrodnik Charles Darwin opublikował monografię O powstawaniu gatunków, a Gregor Mendel, zakonnik z Brna (miasta w dzisiejszych Czechach), zaczął w przyklasztornym ogrodzie hodować i krzyżować różne odmiany grochu. Obserwacje kształtu dziobów zięb odkrytych przez Darwina oraz cech grochu wyhodowanego przez Mendla zaowocowały powstaniem koncepcji genu, czynnika istniejącego wewnątrz organizmów żywych i będącego nośnikiem kodu dziedziczności[1].

Darwin początkowo zamierzał pójść w ślady swojego ojca oraz dziadka, dwóch wybitnych lekarzy. Ale kiedy podczas studiów medycznych był świadkiem zabiegu chirurgicznego, przeraził go widok krwi i krzyki skrępowanego dziecka poddawanego operacji. Porzucił więc medycynę i zaczął się kształcić na anglikańskiego pastora, jego predyspozycje do pracy duszpasterskiej były jednak równie kiepskie jak do zawodu lekarza. Odkąd w wieku ośmiu lat zaczął kolekcjonować okazy przyrodnicze, jego prawdziwym marzeniem stała się kariera przyrodnika. Szansa na urzeczywistnienie tego zamiaru otworzyła się przed Darwinem w 1831 roku, gdy jako dwudziestodwulatek otrzymał propozycję udziału w prywatnej ekspedycji badawczej na pokładzie slupu HMS Beagle; podczas rejsu dookoła świata miał zajmować się zbieraniem okazów botanicznych, zoologicznych i mineralogicznych[2].

W roku 1835, cztery lata po rozpoczęciu trwającej w sumie pięć lat wyprawy, Beagle dotarł do liczącego kilkanaście wysepek archipelagu Galapagos na Oceanie Spokojnym, oddalonego o jakieś tysiąc kilometrów od zachodniego wybrzeża Ameryki Południowej. W trakcie pobytu na wyspach Darwin zgromadził liczne okazy ptaków, które zaklasyfikował jako zięby, kosy, grubodzioby, przedrzeźniacze i strzyżyki. Dopiero dwa lata później, po powrocie do Anglii, dowiedział się od ornitologa Johna Goulda, że wszystkie przywiezione z Galapagos ptaki to w rzeczywistości różne gatunki zięby. Darwin zaczął opracowywać teorię, według której wywodziły się one od wspólnego przodka.

Darwin spędził dzieciństwo na angielskiej wsi i wiedział, że potomstwo hodowanych tam koni i krów rodziło się niekiedy z pewnymi odmiennościami w budowie ciała, a hodowcy dobierali osobniki przeznaczone do rozpłodu w taki sposób, by utrwalić niektóre z tych odmienności i z biegiem lat uzyskać populację zwierząt o bardziej pożądanych cechach. Być może zatem natura działa w podobny sposób. Darwin nazwał to doborem naturalnym. Zgodnie z jego teorią na pewnych odizolowanych od reszty świata obszarach, takich jak wyspy archipelagu Galapagos, w każdym pokoleniu pojawia się kilka mutacji (Darwin określił je żartobliwym terminem „sporty”), a zmiana warunków środowiskowych może sprawić, że osobniki z mutacjami okażą się lepiej przystosowane do nowego otoczenia i będą mogły skuteczniej rywalizować o niewielkie zasoby pożywienia, a co za tym idzie, zwiększą się ich szanse na rozmnożenie się i przekazanie swoich cech następnym pokoleniom. Załóżmy, że pewien gatunek zięby ma dziób przystosowany do jedzenia owoców, ale długotrwała susza wyniszcza drzewa owocowe; w nowych warunkach życiowych lepiej poradzą sobie nieliczne osobniki o budowie odmiennej niż większość populacji, z masywniejszymi dziobami nadającymi się do rozłupywania orzechów. „W takich warunkach zmiany korzystne będą się utrzymywały, a zmiany niekorzystne będą ulegały zanikowi”, napisał Darwin. „Rezultatem będzie powstawanie nowych gatunków”.

Darwin, świadomy kontrowersyjnego charakteru swojej koncepcji, nie spieszył się z jej publikacją. Bodźcem do działania, jak to często bywa w historii nauki, okazał się duch współzawodnictwa. W 1858 roku Darwin otrzymał pocztą szkic artykułu przesłany mu przez młodszego od niego przyrodnika Alfreda Russela Wallace’a, który doszedł do podobnych co Darwin wniosków w kwestii działania doboru naturalnego. Skłoniło to Darwina do przyspieszenia prac nad przygotowaniem do publikacji własnego artykułu; porozumiał się też z Wallace’em i ostatecznie obaj przedstawili swoje tezy tego samego dnia na posiedzeniu wiodącego towarzystwa naukowego.

Darwina i Wallace’a charakteryzowała rozległość zainteresowań i umiejętność przekraczania granic między różnymi dziedzinami nauki – cechy będące katalizatorem kreatywności. Obaj podróżowali do egzotycznych zakątków świata, w których zaobserwowali zjawisko zmienności gatunkowej; obaj też byli po lekturze eseju Prawo ludności (An Essay on the Principle of Population) angielskiego ekonomisty Thomasa Malthusa. Przewidywał on, że liczba ludności będzie rosła szybciej niż produkcja żywności. Rezultatem takiego stanu rzeczy stanie się przeludnienie, a to z kolei przyniesie klęskę głodu, której ofiarą padną najsłabsi i najubożsi. Darwin i Wallace doszli do wniosku, że maltuzjańska koncepcja konkurowania członków populacji o ograniczone zasoby ma zastosowanie w odniesieniu do wszystkich gatunków, co skłoniło ich do sformułowania teorii ewolucji, której głównym napędem jest dobór naturalny, prowadzący do przetrwania najlepiej przystosowanych. „Przeczytałem dla rozrywki pracę Malthusa na temat populacji i (…) uderzyła mnie myśl, że w takich warunkach zmiany korzystne będą się utrzymywały, a zmiany niekorzystne będą ulegały zanikowi”, wspominał później Darwin. Isaac Asimov, pisarz science fiction i profesor biochemii, stwierdził, że do opracowania teorii ewolucji „potrzebny był ktoś, kto prowadził badania nad gatunkami, czytał Malthusa i potrafił połączyć te dwie rzeczy”[3].

Skoro gatunki ewoluują na drodze mutacji i doboru naturalnego, to nasuwa się ważne pytanie: na czym polega ów podstawowy mechanizm ewolucji biologicznej? Jak doszło do pojawienia się korzystnej zmiany kształtu i wielkości dzioba u zięby albo długości szyi u żyrafy – i w jaki sposób zmiany te mogły zostać przekazane kolejnym pokoleniom? Darwin uważał, że w organizmach żywych występują maleńkie cząsteczki, stanowiące nośnik informacji dziedzicznej; przypuszczał też, że informacje pochodzące od obu osobników rodzicielskich, męskiego i żeńskiego, mieszają się ze sobą w zarodku. Wkrótce jednak, tak jak i inni naukowcy, zdał sobie sprawę, że gdyby zjawisko dziedziczenia cech rzeczywiście przebiegało w taki sposób, to nowe korzystne cechy nie byłyby przekazywane z pokolenia na pokolenie w niezmienionej postaci, tylko ulegałyby stopniowemu rozcieńczeniu.

Darwin miał w swojej prywatnej bibliotece egzemplarz pewnego mało znanego czasopisma naukowego, w którym opublikowano artykuł napisany w 1866 roku, zawierający trafne wyjaśnienie mechanizmu dziedziczenia. Niestety nigdy go nie przeczytał, podobnie jak zdecydowana większość współczesnych mu naukowców.

Mendel

Autorem wspomnianego artykułu był Gregor Mendel, niski, korpulentny zakonnik, który przyszedł na świat w niemieckojęzycznej rodzinie na Morawach, w ówczesnym cesarstwie Austrii. Mendel znacznie lepiej radził sobie z pracą w ogrodzie brneńskiego klasztoru niż z duszpasterstwem, do którego brakowało mu zarówno śmiałości, jak i dobrej znajomości języka czeskiego. Próbował zostać dyplomowanym nauczycielem matematyki i nauk przyrodniczych, ale pomimo kilku podejść za każdym razem oblewał egzaminy; nie pomogły mu nawet wcześniejsze studia na Uniwersytecie Wiedeńskim. Szczególnie kiepskie wyniki uzyskał na egzaminie z biologii[4].

Po fiasku planów związanych z karierą nauczycielską Mendel zaszył się w przyklasztornym ogrodzie i oddał się swojej pasji, czyli uprawie grochu. W poprzednich latach dzięki starannej selekcji udało mu się wyhodować czyste linie roślin, to znaczy takie, w których każda z siedmiu wyróżnionych przez Mendla prostych cech występowała tylko w jednym z dwóch wariantów: kolor nasion zawsze był albo żółty, albo zielony; kolor kwiatów był albo biały, albo fioletowy; skórka ziaren była albo gładka, albo pomarszczona i tak dalej.

Kolejny rok Mendel poświęcił na eksperymenty polegające na krzyżowaniu egzemplarzy grochu należących do dwóch linii czystych, na przykład roślin o białych kwiatach z roślinami o kwiatach fioletowych. Było to żmudne zadanie, wymagające każdorazowo oderwania za pomocą pincety pręcików kwiatu jednej rośliny, a następnie zebrania z nich pyłku i przeniesienia go na kwiat drugiej rośliny przy użyciu cienkiego pędzelka.

Rezultaty doświadczeń Mendla okazały się przełomowe. Wbrew przypuszczeniom wysnutym w tamtym czasie przez Darwina, nie doszło do wymieszania cech. Wysokie rośliny skrzyżowane z roślinami niskimi nie dały potomstwa o średniej wysokości, a rośliny o fioletowych kwiatach skrzyżowane z roślinami o kwiatach koloru białego nie dały potomstwa o kwiatach różowych czy bladofioletowych. Pierwsze pokolenia powstałe z krzyżówki roślin wysokich i niskich były zawsze wysokie, natomiast pierwsze pokolenia powstałe ze skrzyżowania roślin o kwiatach fioletowych z roślinami o kwiatach białych miały zawsze kwiaty barwy fioletowej. Cechy te Mendel nazwał cechami dominującymi, a stłumione warianty cech – cechami recesywnymi.

Jeszcze bardziej doniosłego odkrycia dokonał następnego lata, kiedy skrzyżował rośliny z pierwszego pokolenia hybryd. O ile w pierwszym pokoleniu roślin hybrydowych występowały wyłącznie cechy dominujące (takie jak fioletowe kwiaty czy wysokie łodygi), o tyle w kolejnym pokoleniu uwidoczniły się także cechy recesywne. Z prowadzonych przez Mendla eksperymentów wyłonił się następujący wzorzec rozkładu cech w drugim pokoleniu hybryd: około 75 procent roślin wykazywało cechę dominującą, natomiast około 25 procent – cechę recesywną. Każda cecha determinowana jest przez geny, czyli dziedziczne czynniki przekazywane potomstwu przez rodziców i występujące w jednej z dwóch wersji – dominującej lub recesywnej; kiedy roślina odziedziczy dwie dominujące wersje (allele) danego genu albo jedną wersję dominującą i jedną recesywną, uwidacznia się cecha dominująca. Z kolei odziedziczenie dwóch recesywnych wersji danego genu powoduje ujawnienie się cechy recesywnej.

Motorem napędowym postępu w nauce jest rozgłos. Tymczasem Mendel był nieśmiałym zakonnikiem i sprawiał wrażenie osoby, która najlepiej czułaby się w czapce niewidce. Rezultaty swoich badań przedstawił publicznie w 1865 roku w Brnie, na dwóch comiesięcznych zebraniach tamtejszego Towarzystwa Nauk Przyrodniczych. Jego audytorium liczyło zaledwie czterdzieści osób i składało się głównie z okolicznych rolników oraz hodowców roślin. Towarzystwo to jakiś czas później opublikowało pracę Mendla na łamach swojego rocznika. Publikacja przeszła jednak zupełnie bez echa. Artykuł doczekał się zaledwie kilku cytowań i dopiero w roku 1900 został odkryty na nowo przez naukowców prowadzących podobne doświadczenia[5].

Odkrycia Mendla oraz badaczy z początków XX wieku przyczyniły się do powstania koncepcji jednostki dziedziczenia, którą duński botanik Wilhelm Johannsen określił w 1905 roku mianem genu. Wszystko wskazywało na istnienie cząsteczki będącej nośnikiem informacji dziedzicznych. Przez następne dziesięciolecia naukowcy badali komórki żywych organizmów, starając się ustalić, co to za cząsteczka.

Rozdział 3

DNA

Początkowo naukowcy sądzili, że nośnik genów stanowią cząsteczki białka, ponieważ to one wykonują większość ważnych zadań w organizmach żywych. Ostatecznie jednak odkryto, że fizycznym nośnikiem dziedziczności są inne substancje występujące powszechnie w komórkach organizmów: kwasy nukleinowe. Cząsteczki kwasu nukleinowego zbudowane są z połączonych w łańcuchy cukrów, fosforanów oraz czterech substancji zwanych zasadami. Kwasy te występują w dwóch odmianach: pierwsza to kwas rybonukleinowy (RNA), druga to kwas deoksyrybonukleinowy (DNA), którego cząsteczka zawiera o jeden atom tlenu mniej niż cząsteczka RNA (stąd obecność przedrostka „deoksy” w nazwie tego kwasu). Z ewolucyjnego punktu widzenia zarówno najprostszy koronawirus, jak i niezwykle złożony organizm ludzki to w gruncie rzeczy opakowany w białko pakiet materiału genetycznego zakodowanego w kwasie nukleinowym i dążącego do replikacji.

Przełomowego odkrycia, które dowiodło, że właśnie DNA stanowi repozytorium informacji genetycznej, dokonano w roku 1944. Jego autorem był biochemik Oswald Avery, który wraz ze swoimi współpracownikami z nowojorskiego Uniwersytetu Rockefellera przeprowadził eksperyment polegający na wyizolowaniu DNA pewnego szczepu bakterii i wprowadzeniu go do komórek innego szczepu, co spowodowało przejęcie przez te bakterie dziedzicznych cech charakterystycznych dla szczepu, z którego pochodził wyizolowany kwas DNA. Wykazano tym samym, że to DNA odegrało rolę czynnika transformującego, przenosząc dziedziczną informację genetyczną.

Kolejnym krokiem na drodze do poznania tajemnicy życia musiało być ustalenie, w jaki sposób DNA przekazuje informacje dziedziczne. To zaś wymagało rozszyfrowania struktury atomowej DNA, czyli odnalezienia klucza do wszystkich zagadek natury. Odkrycie i zrozumienie struktury DNA – tego, jak łączą się ze sobą wszystkie atomy w jego cząsteczce, a także jak wygląda ich przestrzenne ułożenie – mogło wyjaśnić mechanizm działania genów. Zadanie to wymagało połączenia trzech dyscyplin naukowych, które narodziły się w XX wieku: genetyki, biochemii oraz biologii strukturalnej.

James Watson

James Watson urodził się i wychował w średniozamożnej rodzinie mieszkającej w Chicago. Uczył się świetnie; na tle kolegów i koleżanek z publicznych szkół wyróżniał się nie tylko bystrością umysłu, ale także arogancją i upodobaniem do wygłaszania prowokacyjnych opinii. Owa skłonność do intelektualnych prowokacji przydawała mu się później w karierze naukowej, ale nie wpływała korzystnie na jego publiczny wizerunek. Ilekroć zabierał głos, mówił szybko i niewyraźnie, wyrzucając z siebie urywane zdania; brakowało mu cierpliwości i nie potrafił powstrzymać się od wygłaszania impulsywnych opinii. Jak sam później stwierdził, jedna z najważniejszych życiowych rad, jakich udzielili mu rodzice, brzmiała: „Stając się hipokrytą, zyskujesz społeczną akceptację, ale tracisz szacunek do samego siebie”. Wziął sobie to aż nazbyt głęboko do serca. Ponaddziewięćdziesięcioletni dziś Watson przez całe życie był brutalnie szczery w swoich sądach, zarówno tych trafnych, jak i błędnych, za co czasem przychodziło mu płacić brakiem społecznej aprobaty – nigdy jednak nie stracił poczucia własnej wartości[1].

Za młodu Watson odkrył w sobie pasję do obserwowania ptaków i kiedy wygrał w turnieju radiowym Quiz Kids nagrodę w postaci trzech rządowych obligacji wojennych, spieniężył je i kupił sobie lornetkę Bausch and Lomb. Codziennie przed świtem zrywał się z łóżka i szedł z ojcem do parku Jacksona, gdzie spędzał dwie godziny na wypatrywaniu rzadkich ptaków z gatunku gajówek; potem jechał tramwajem do Lab School, szkoły dla szczególnie uzdolnionych uczniów.

W wieku piętnastu lat Watson rozpoczął studia na Uniwersytecie Chicagowskim. Ponieważ od dziecka interesował się ptakami, postanowił zostać ornitologiem; dodatkowym argumentem przemawiającym za taką decyzją było to, że jako student ornitologii nie musiał uczyć się chemii, do której żywił szczególną awersję. Plany Watsona uległy zmianie na ostatnim roku studiów, gdy wpadła mu w ręce recenzja książki Czym jest życie? – zbioru rozważań fizyka kwantowego Erwina Schrödingera na różne tematy z dziedziny biologii. Według Schrödingera odkrycie struktury molekularnej genów pozwoliłoby zrozumieć, w jaki sposób przekazują one informacje dziedziczne. Następnego dnia rano Watson wypożyczył tę książkę z biblioteki. Od tamtej pory jego ambicją stało się poznanie mechanizmu działania genów.

Po ukończeniu studiów w Chicago Watson zamierzał zrobić doktorat w Caltech (California Institute of Technology, Kalifornijski Instytut Techniczny), jego podanie zostało jednak odrzucone z powodu przeciętnych ocen. Bez powodzenia ubiegał się także o stypendium dla doktorantów na Harvardzie[2]. Ostatecznie podjął studia doktoranckie na Uniwersytecie Indiany, mogącym poszczycić się jednym z najlepszych wydziałów genetyki w Stanach Zjednoczonych; trzon kadry tego wydziału stanowili naukowcy pochodzenia żydowskiego, którzy mieli trudności z uzyskaniem etatów na uczelniach Wschodniego Wybrzeża. Wśród nich byli między innymi dwaj przyszli nobliści, genetyk Hermann Muller oraz imigrant z Włoch, mikrobiolog Salvador Luria.

Pod okiem swojego promotora Salvadora Lurii Watson zajmował się badaniem wirusów. Te maleńkie pakiety materiału genetycznego nie są organizmami żywymi, ale kiedy dostaną się do wnętrza żywej komórki, przejmują kontrolę nad jej maszynerią i zaczynają się namnażać. Spośród wszystkich wirusów najłatwiej bada się te, które atakują bakterie, czyli tak zwane fagi (warto zapamiętać ten termin, ponieważ pojawi się on ponownie, kiedy będziemy omawiać odkrycie metody CRISPR). Fagi to skrót od bakteriofagów, to znaczy pożeraczy bakterii.

Watson dołączył do skupionej wokół Lurii grupy biologów pochodzących z różnych krajów – z uwagi na przedmiot badań nazywaną grupą fagową. „Luria czuł autentyczny wstręt do większości chemików – zwłaszcza zaś do ich szczególnie drapieżnej odmiany, występującej w nowojorskiej dżungli”, wspominał Watson[3]. Wkrótce jednak Luria zdał sobie sprawę, że wiedza z zakresu chemii będzie niezbędna w badaniach nad fagami, dlatego załatwił Watsonowi stypendium dla absolwentów studiów doktoranckich w Kopenhadze i wysłał go tam z zadaniem zdobycia potrzebnych umiejętności.

Znudzony zgłębianiem tajników chemii i zmęczony trudnościami w porozumiewaniu się z władającym kiepską angielszczyzną duńskim chemikiem, który sprawował nadzór naukowy nad jego projektem stypendialnym, Watson skwapliwie skorzystał z okazji wyrwania się z Kopenhagi, jaka nadarzyła się wiosną 1951 roku. W Neapolu odbywało się wówczas sympozjum naukowe poświęcone strukturze molekularnej żywych komórek i Watson zgłosił chęć uczestnictwa w tym spotkaniu. Większość wygłaszanych tam prelekcji wydała mu się kompletnie niezrozumiała, ale jedna wzbudziła zainteresowanie: był to wykład Maurice’a Wilkinsa, biochemika z King’s College w Londynie.

Wilkins specjalizował się w krystalografii i dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Innymi słowy, przygotowywał roztwór nasycony cząsteczkami, poddawał go ochłodzeniu, po czym oczyszczał kryształy powstałe w procesie krystalizacji cząsteczek. Następnie starał się rozszyfrować strukturę owych kryształów. Gdy oświetlimy trójwymiarowy obiekt z kilku różnych stron, jesteśmy w stanie ustalić jego trójwymiarową strukturę na podstawie analizy kształtu rzucanych przez niego cieni. Metoda dyfrakcji promieni Roentgena, którą posługują się krystalografowie, opiera się na tej samej zasadzie: polega na naświetleniu cząsteczki przekształconej w kryształ wiązkami promieni X pod różnymi kątami i zaobserwowaniu na zdjęciach cieni oraz kierunków, w jakich rozchodziły się ugięte na krysztale promienie. Pod koniec swojego wykładu Wilkins zaprezentował slajd przedstawiający rentgenogram cząsteczki DNA.

„Nagle poczułem, że chemia zaczyna mnie fascynować”, pisał później Watson. „Teraz już wiedziałem, że geny mogą krystalizować, a więc muszą mieć budowę uporządkowaną, którą uda się poznać metodami bezpośrednimi”. Przez kilka kolejnych dni Watson zawzięcie uganiał się za Wilkinsem, licząc, że angielski biochemik zaproponuje mu dołączenie do swojego zespołu badawczego. Nadzieje te okazały się jednak płonne.

Francis Crick

Jesienią 1951 roku Watsona przyjęto na staż podoktorski w Laboratorium Cavendisha w Cambridge, kierowanym wówczas przez pioniera krystalografii sir Lawrence’a Bragga, który ponad trzydzieści lat wcześniej został uhonorowany Noblem z fizyki i do dziś pozostaje najmłodszym w historii noblistą w tej dziedzinie[4]. Razem ze swoim ojcem, z którym wspólnie zdobył Nagrodę Nobla, opracował matematyczne prawo dotyczące dyfrakcji promieni rentgenowskich na kryształach.

W Laboratorium Cavendisha Watson poznał Francisa Cricka. Znajomość ta przerodziła się w jedną z najmocniejszych przyjaźni, jakie kiedykolwiek łączyły ludzi nauki. Crick, biochemik, który miał za sobą służbę w wojsku w czasie II wojny światowej, pomimo dojrzałego jak na naukowca wieku trzydziestu sześciu lat wciąż jeszcze nie zrobił doktoratu. Był jednak na tyle pewien swojej naukowej intuicji, a do tego miał wystarczająco lekceważący stosunek do panujących w Cambridge dobrych obyczajów, że nie wahał się wytykać kolegom błędów w ich rozumowaniu i chętnie się tym później przechwalał. Jak stwierdził Watson w pierwszym zdaniu Podwójnej helisy, „nigdy nie zdarzyło mi się spotkać Francisa Cricka w nastroju skromnej powściągliwości”. To samo można było zresztą powiedzieć o Watsonie. Obaj wzajemnie cenili ten swój brak skromności, nieznajdujący uznania w oczach ich uczonych kolegów. „Cechowała nas młodzieńcza arogancja, bezwzględność i brak cierpliwości wobec niechlujstwa w myśleniu”, wspominał Crick.

Crick podzielał pogląd Watsona, że odkrycie struktury DNA będzie kluczem do rozwiązania zagadki dziedziczności. W trakcie wspólnych wypadów na lunch do Eagle, starego pubu nieopodal Laboratorium Cavendisha, zajadali się zapiekanką pasterską i prowadzili ożywione dyskusje. Crick był obdarzony wyjątkowo donośnym głosem i często wybuchał hałaśliwym śmiechem. Rozpraszało to sir Lawrence’a do tego stopnia, że w końcu wyekspediował Cricka i Watsona do osobnego pokoju o ścianach z jasnej cegły.

„Byli jak dwie komplementarne nici, złączone arogancją, upodobaniem do błazenady i bystrością umysłów”, pisał o Watsonie i Cricku lekarz i autor książek popularnonaukowych Siddhartha Mukherjee. „Mieli w pogardzie wszelkie autorytety, a zarazem pragnęli ich uznania. Dostrzegali śmieszność i umysłowe skostnienie naukowego establishmentu, a jednak potrafili wkraść się w jego łaski. Uważali się za outsiderów, ale najlepiej czuli się na wewnętrznych dziedzińcach kolegiów Cambridge. Obsadzili się w roli błaznów na dworze głupców”[5].

Mniej więcej w tamtym czasie Linus Pauling, biochemik z Caltech, wstrząsnął światem nauki i otworzył sobie drogę do swojego pierwszego Nobla, odkrywając strukturę białek. Dokonał tego dzięki wykorzystaniu techniki krystalografii rentgenowskiej, wiedzy z zakresu mechaniki kwantowej wiązań chemicznych, a także przestrzennych modeli cząsteczek, przypominających nieco konstrukcje z klocków firmy Tinkertoy. Podczas posiłków w pubie Eagle Watson i Crick snuli plany wykorzystania metody konstruowania trójwymiarowych modeli do odkrycia struktury DNA, zanim zdąży to zrobić Pauling. W działającym przy Laboratorium Cavendisha warsztacie zamówili zapas miedzianego drutu oraz odpowiednio przycięte kawałki cienkiej blachy, które miały przedstawiać atomy, wiązania i inne składowe DNA – zamierzali budować z nich trójwymiarowy model cząsteczki DNA kawałek po kawałku, przesuwając i łącząc ze sobą poszczególne elementy tak długo, aż utworzą sensowną całość.

Jedna z przeszkód, jakie stanęły na ich drodze, polegała na tym, że prowadząc badania nad strukturą DNA, wkraczali na terytorium Maurice’a Wilkinsa, biochemika z londyńskiego King’s College, który na sympozjum w Neapolu zaprezentował rentgenogram kryształu DNA. „Angielska zasada fairplaynie zezwalała Francisowi na wkroczenie w problematykę Maurice’a”, pisał Watson. „We Francji na przykład, gdzie w tym znaczeniu pojęcie fair playnie istnieje, nie stanowiłoby to problemu. Podobnie w Stanach Zjednoczonych”.

Sam Wilkins nie sprawiał wrażenia, jakby szczególnie zależało mu na ubiegnięciu Paulinga. Zaprzątała go wówczas wewnątrzwydziałowa rywalizacja – opisana przez Watsona w Podwójnej helisie w nadmiernie udramatyzowany, a zarazem strywializowany sposób – którą toczył ze swoją nową, błyskotliwą koleżanką. Rosalind Franklin, trzydziestojednoletnia angielska biochemiczka, opanowała techniki dyfrakcji rentgenowskiej podczas studiów w Paryżu, po czym w 1951 roku przeniosła się do Londynu i podjęła pracę w King’s College.

Zdecydowała się objąć tę posadę w przekonaniu, że stanie tam na czele zespołu prowadzącego badania nad DNA. Cztery lata starszy od niej Wilkins, który już wcześniej zajmował się DNA, sądził z kolei, że Franklin będzie zajmowała niższe od niego stanowisko i że zatrudniono ją głównie po to, by pomagała mu w badaniach wymagających zastosowania krystalografii rentgenowskiej. Ich rozbieżne ambicje i oczekiwania doprowadziły do bardzo napiętej sytuacji. Po kilku miesiącach Wilkins i Franklin niemal przestali się do siebie odzywać. Trzymanie się na dystans ułatwiały im seksistowskie zwyczaje panujące w King’s College: na wydziale istniały wtedy dwa odrębne pomieszczenia rekreacyjne, jedno dla kobiet (tak obskurne, że trudno było w nim wytrzymać), a drugie dla mężczyzn (w którym urządzano eleganckie lunche).

Franklin skupiała się na pracy naukowej i nie przywiązywała wielkiej wagi do stroju, ubierając się przede wszystkim praktycznie. Nie spotkało się to z aprobatą ówczesnego brytyjskiego środowiska akademickiego, w którym sympatią darzono ekscentryków, a na kobiety patrzono często przez pryzmat seksualny, co znalazło odzwierciedlenie w opisie Rosalind Franklin przedstawionym w Podwójnej helisie. „Choć miała dość ostre rysy, nie była zupełnie nieatrakcyjna, mogłaby się nawet podobać, gdyby wykazała choć niewielkie zainteresowanie kwestią swego wyglądu zewnętrznego”, stwierdził Watson. „Nie poświęcała temu jednak najmniejszej uwagi. Nigdy nie używała szminki, która mogłaby podkreślić czerń jej prostych włosów, a w trzydziestym pierwszym roku życia nosiła stroje odzwierciedlające całkowity brak fantazji, właściwy młodym angielskim intelektualistkom”.

Franklin nie zamierzała udostępniać Wilkinsowi ani nikomu innemu swoich obrazów dyfrakcyjnych, ale w listopadzie 1951 roku wygłosiła wykład podsumowujący jej najnowsze odkrycia. Przysłuchiwał mu się Watson, który na zaproszenie Wilkinsa przyjechał pociągiem z Cambridge do Londynu. „Przemawiała do około piętnastu słuchaczy szybko i nerwowo”, relacjonował później. „W jej słowach nie było ani śladu ciepła czy zalotności. A jednak nie mogłem uznać jej za osobę zupełnie nieinteresującą. Chwilami wyobrażałem sobie, jakby Rosy wyglądała, gdyby zdjęła okulary i trochę inaczej ułożyła włosy. Głównym przedmiotem mojego zainteresowania był jednak jej opis rentgenogramów krystalicznego DNA”.

Nazajutrz rano Watson zreferował Crickowi treść wystąpienia Franklin. Crick był nieco poirytowany, ponieważ okazało się, że jego kolega w trakcie wykładu nie zadał sobie trudu robienia notatek i w rezultacie miał problem z przypomnieniem sobie wielu informacji, w tym zwłaszcza poziomu zawartości wody w badanych przez Franklin próbkach DNA. Ostatecznie Crick doszedł do wniosku, że na podstawie zebranych przez Franklin danych – a raczej na podstawie tego, co Watsonowi udało się z nich zapamiętać – można przyjąć, że cząsteczka DNA ma strukturę helikalną i składa się z dwóch, trzech lub czterech łańcuchów. Niezwłocznie zabrał się do szkicowania jej modeli. Miał nadzieję, że eksperymentując z różnymi układami, uda im się wkrótce ustalić, który z nich jest poprawny. Po upływie tygodnia Watson i Crick uznali, że znaleźli rozwiązanie zagadki, nie było ono jednak szczególnie eleganckie – w zbudowanym przez nich trójwymiarowym modelu niektóre atomy ewidentnie znajdowały się zbyt blisko siebie. Model przedstawiał cząsteczkę, w której środku znajdowały się trzy zwinięte wokół siebie łańcuchy; z tego spiralnie skręconego szkieletu sterczały na zewnątrz cztery typy zasad.

Watson i Crick w porywie pychy zaprosili Maurice’a Wilkinsa oraz Rosalind Franklin do Cambridge, żeby zaprezentować im swoje dzieło. Następnego dnia rano oboje stawili się w Laboratorium Cavendisha, gdzie Crick po krótkiej grzecznościowej pogawędce pokazał im trójwymiarowy model cząsteczki DNA o trzech skręconych łańcuchach. Franklin momentalnie dostrzegła w nim wady. „Mylicie się, a oto dlaczego”, oświadczyła i zaczęła wytykać im błędy tonem nauczycielki rozdrażnionej ignorancją uczniów.

Franklin upierała się, że na wykonanych przez nią rentgenogramach nie było dowodu na to, że DNA ma strukturę helikalną. Jak się później okazało, w tym względzie się myliła. Za to dwa inne jej zastrzeżenia były słuszne: po pierwsze, zasady powinny znajdować się wewnątrz, a nie na zewnątrz wijących się łańcuchów; po drugie, DNA w modelu Watsona i Cricka zawierało zdecydowanie zbyt mało wody. „Właśnie w tym momencie wyszedł na jaw wstydliwy fakt, że źle zapamiętałem dane na temat zawartości wody w próbkach DNA znajdujących się w posiadaniu Rosy”, odnotował Watson. Wilkins tymczasem zapomniał na chwilę o animozjach między nim a Franklin i poinformował ją uprzejmie, że gdyby od razu udali się na dworzec, to zdążyliby złapać odjeżdżający o 15.40 pociąg powrotny do Londynu. Po chwili oboje wyszli.

Watson i Crick nie tylko najedli się wstydu, ale w dodatku trafili na „ławkę kar”. Sir Lawrence polecił im przerwać badania nad DNA. Elementy, z których konstruowali swoje modele, zostały spakowane i wysłane do Londynu, do laboratorium Wilkinsa i Franklin.

—

Rozczarowanie Watsona pogłębiły docierające do niego informacje o planach Linusa Paulinga, który wybierał się do Anglii z cyklem wykładów, co prawdopodobnie przyspieszyłoby prowadzone przez niego badania nad strukturą DNA. Na szczęście dla Watsona do akcji wkroczył amerykański Departament Stanu. W USA był to czas maccartyzmu i polowania na „czerwone czarownice”. Ich ofiarą padł Pauling, którego zatrzymano na lotnisku w Nowym Jorku i zarekwirowano mu paszport, ponieważ FBI uznało, że z racji głoszonych przez niego pacyfistycznych poglądów jego zagraniczne podróże mogłyby stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa państwa. W rezultacie Pauling stracił okazję do przedyskutowania interesujących go zagadnień z angielskimi specjalistami od krystalografii rentgenowskiej. Decyzja amerykańskich władz przyczyniła się więc pośrednio do przegrania przez amerykańskich naukowców rywalizacji o to, kto pierwszy odkryje strukturę DNA.

Watson i Crick mogli do pewnego stopnia monitorować postępy Paulinga dzięki znajomości z jego synem Peterem, doktorantem studiującym w ich laboratorium w Cambridge. Watson uważał Petera za sympatycznego młodego człowieka i chętnie wdawał się z nim w pogawędki, które, jak wspominał, nierzadko schodziły na „porównywanie cech Angielek z dziewczynami z Kontynentu i Kalifornii”. Pewnego grudniowego dnia 1952 roku Peter zjawił się w laboratorium i rozsiadł się wygodnie, opierając nogi na blacie biurka, po czym przekazał wieści, których nadejścia Watson od dawna się obawiał. W ręku trzymał list od swojego ojca: Linus Pauling informował w nim, że udało mu się rozszyfrować strukturę DNA i że zamierza opublikować swoje odkrycie.

Maszynopis artykułu Paulinga dotarł do Cambridge na początku lutego. Pierwszą kopię otrzymał Peter. Pomaszerował prosto do laboratorium i zakomunikował, że jego ojciec wpadł na rozwiązanie podobne do tego, które wcześniej zaproponowali Watson z Crickiem: model trójłańcuchowej helisy ze szkieletem w centralnej części. Watson niecierpliwie wyszarpnął maszynopis z kieszeni płaszcza Petera i pogrążył się w lekturze. „Natychmiast poczułem, że coś tu jest nie w porządku”, wspominał. „Błąd wyłapałem jednak dopiero po paru minutach wpatrywania się w rysunki”.

Watson zauważył, że niektóre z wiązań atomowych w modelu Paulinga były zbyt słabe, by zaproponowana struktura mogła być stabilna. Przedyskutował to z Crickiem oraz innymi kolegami z laboratorium i wspólnie doszli do wniosku, że Pauling zaliczył wielką wpadkę. Byli tym tak podekscytowani, że skończyli pracę wcześniej niż zwykle i poszli do Eagle. „Od chwili, gdy wieczorem restauracja otworzyła swe podwoje, siedzieliśmy tam i piliśmy na pohybel Paulingowi”, pisał Watson. „Pozwoliłem, by zamiast sherry Francis zamówił whisky”.

„Sekret życia”

Watson i Crick zrozumieli, że nie mają czasu do stracenia i nie mogą sobie pozwolić na dalsze respektowanie zarządzenia dyrektora Laboratorium Cavendisha, który polecił im zrezygnować z badań nad strukturą DNA i zostawić je w gestii Wilkinsa i Franklin. Watson pojechał popołudniowym pociągiem do Londynu, żeby spotkać się z naukowcami z King’s College. Zabrał ze sobą kopię artykułu Paulinga. Ponieważ Wilkins był chwilowo nieobecny, Watson postanowił odwiedzić laboratorium Franklin. Zastał ją pochyloną nad podświetlaczem, pochłoniętą dokonywaniem pomiarów jednego z ostatnich, coraz ostrzejszych zdjęć dyfrakcji promieni X na kryształach DNA. Franklin obrzuciła nieproszonego gościa gniewnym spojrzeniem, ale niezrażony Watson przystąpił do referowania artykułu Paulinga.

Przez chwilę kłócili się o to, czy DNA faktycznie ma strukturę helikalną. Franklin wciąż miała co do tego wątpliwości. „Przerwawszy jej perorę, argumentowałem, że helisa to najprostszy kształt, jaki przyjmuje dowolna polimeryczna cząsteczka o budowie regularnej”, relacjonował później Watson. „Rosy już z trudem panowała nad sobą i podnosząc coraz bardziej głos, powiedziała, że głupota mych uwag stanie się dla mnie oczywista, gdy tylko przestanę ględzić i spojrzę na jej dane rentgenograficzne”.

Atmosfera stawała się coraz bardziej napięta. Watson pozwolił sobie na słuszną, choć niezbyt grzeczną uwagę, że Franklin dobrze radzi sobie z badaniami eksperymentalnymi, ale odnosiłaby większe sukcesy, gdyby nauczyła się współpracować z teoretykami. „Rosy raptownie wydostała się zza rozdzielającego nas stołu laboratoryjnego i zaczęła iść ku mnie. Bojąc się, że w paroksyzmie wściekłości może mnie uderzyć, zgarnąłem maszynopis Paulinga i pospiesznie wycofywałem się ku wyjściu”.

W tym momencie do laboratorium zajrzał Wilkins – w samą porę, by uratować Watsona z opresji. Zaprosił go do siebie na herbatę, żeby nieco ochłonął. Podczas rozmowy wspomniał, że kilka miesięcy wcześniej Franklin wykonała serię zdjęć „mokrej” postaci DNA, które dostarczyły nowych dowodów odnośnie do struktury przestrzennej kwasu deoksyrybonukleinowego. Na potwierdzenie tego przyniósł z sąsiedniego pokoju odbitkę rentgenogramu, która znana jest obecnie jako „fotografia 51”. Wilkins wszedł w jej posiadanie w sposób najzupełniej uprawniony: był opiekunem naukowym doktoranta, który wspólnie z Franklin wykonał rentgenogram. Pewne obiekcje mógł budzić jedynie fakt, że bez wiedzy Franklin pokazał odbitkę Watsonowi, który wynotował kluczowe informacje odczytane z rentgenogramu i przedstawił je później Crickowi. „Fotografia 51” dowodziła, że Franklin miała rację co do tego, że tworzące szkielet cząsteczki łańcuchy – przypominające nieco poręcze spiralnej klatki schodowej – znajdują się na zewnątrz, a nie wewnątrz całej struktury; myliła się jednak, odrzucając hipotezę helisy. Watson tymczasem od razu zauważył, że „czarny krzyż odbić, rzucający się w oczy na tym zdjęciu, mógł wynikać tylko z istnienia struktury helikalnej”. Treść notatek Franklin wskazuje, że nawet po wizycie Watsona wciąż było jej daleko do ustalenia struktury DNA[6].

Jadąc z powrotem do Cambridge w nieogrzewanym wagonie, Watson szkicował modele cząsteczki DNA na marginesach egzemplarza „The Times”. Żeby dostać się do swojego mieszkania, musiał jeszcze sforsować zamykaną na noc tylną bramę w ogrodzeniu kolegium. Następnego dnia rano w Laboratorium Cavendisha natknął się na sir Lawrence’a Bragga. Początkowo dyrektor laboratorium upierał się przy swojej wcześniejszej decyzji: Watson i Crick mieli trzymać się z daleka od DNA. Kiedy jednak podekscytowany Watson opowiedział mu, czego dowiedział się w Londynie, i oznajmił, że chciałby wrócić do konstruowania przestrzennych modeli DNA, sir Lawrence wyraził zgodę. Watson natychmiast popędził do warsztatu, żeby zlecić wykonanie nowego zestawu elementów do budowy modeli.

Wkrótce potem w ręce Watsona i Cricka trafiły kolejne dane zebrane przez Franklin. Udostępnił im je jeden z członków Brytyjskiej Rady Badań Medycznych, do której Franklin przesłała raport ze swoich badań. Nie można zatem zarzucić Watsonowi i Crickowi, że ukradli Franklin efekty jej pracy, choć weszli w ich posiadanie bez jej wiedzy i zgody.

Dwaj naukowcy z Cambridge mieli już wówczas całkiem dobre pojęcie o tym, jak wygląda struktura DNA. Doszli do wniosku, że zawiera ona dwa łańcuchy cukrowo-fosforanowe, wijące się spiralnie i tworzące podwójną helisę; z łańcuchów tych wystają cztery zasady azotowe, czyli adenina, tymina, guanina i cytozyna, oznaczane obecnie literami A, T, G oraz C. Watson i Crick zgodzili się też ostatecznie z Franklin, że cukrowo-fosforanowy szkielet znajduje się na zewnątrz struktury, a ułożone równolegle cząsteczki zasad skierowane są do środka podwójnej helisy, niczym szczeble drabiny albo stopnie spiralnych schodów. Jak łaskawie przyznał później Watson, Franklin miała rację w kwestii usytuowania szkieletu fosfocukrowego, a „jej uprzednie bezkompromisowe uwagi na ten temat były wynikiem najwyższej jakości pracy naukowej, a nie temperamentu błądzącej po manowcach feministki”.

Watson i Crick przypuszczali początkowo, że pary zasadowe tworzą identyczne zasady: adenina łączy się zawsze z adeniną, guanina z guaniną i tak dalej. Ale któregoś dnia Watson, bawiąc się własnoręcznie wyciętymi z kartonu modelami zasad, zaczął zestawiać w pary zasady różnych rodzajów. „Nagle uświadomiłem sobie, że para powstała przez połączenie dwoma wiązaniami wodorowymi adeniny z tyminą ma kształt identyczny, jak para utworzona przez guaninę i cytozynę, łączące się też co najmniej dwoma wiązaniami wodorowymi”. Watson miał szczęście pracować w laboratorium, w którym mógł korzystać z wiedzy naukowców różnych specjalności; jednym z nich był specjalista w zakresie chemii kwantowej, który potwierdził, że adenina łączy się w pary z tyminą, a guanina z cytozyną.

Rodziło to fascynujące konsekwencje: w przypadku rozłączenia się dwóch łańcuchów, mogłyby one ulegać replikacji, ponieważ każda zasada przyciągałaby swojego naturalnego partnera. Innymi słowy, dzięki takiej strukturze cząsteczka DNA byłaby w stanie tworzyć własne kopie i przekazywać informację zakodowaną w sekwencjach czterech zasad.

Watson raz jeszcze udał się do warsztatu i poprosił o przyspieszenie prac nad modelami czterech zasad, niezbędnych do zbudowania cząsteczki DNA. Personelowi warsztatu udzielił się entuzjazm Watsona i w ciągu kilku godzin lśniące metalowe płytki były gotowe. Mając do dyspozycji wszystkie elementy, Watson potrzebował zaledwie godziny na złożenie z nich modelu cząsteczki zgodnego z uzyskanymi wcześniej danymi rentgenograficznymi oraz regułami rządzącymi wiązaniami chemicznymi.

Opisując to, co wydarzyło się później, Watson popadł w lekką emfazę: „Francis wleciał do Eagle jak na skrzydłach, by zawiadomić każdego, kto znalazł się w zasięgu jego głosu, że posiedliśmy sekret życia”. Rozwiązanie było tak piękne, że po prostu musiało być prawdziwe. Struktura cząsteczki DNA pasowała idealnie do jej funkcji, którą było przechowywanie i powielanie kodu genetycznego.

W ostatni weekend marca 1953 roku Watson i Crick ukończyli pracę nad swoim artykułem. Liczący zaledwie 975 słów tekst został przepisany na maszynie przez siostrę Watsona, który nakłonił ją do tego zapewnieniem, że będzie miała swój udział „w największym wydarzeniu w biologii od czasów ukazania się dzieła Darwina”. Crick chciał zakończyć artykuł obszernym fragmentem wyjaśniającym genetyczne implikacje odkrytej struktury DNA, ale Watson przekonał go, że bardziej lapidarne zakończenie wywrze większe wrażenie na czytelnikach. Tak oto powstało jedno z najważniejszych zdań w historii nauki: „Nie uszło naszej uwadze, że postulowany przez nas sposób łączenia się zasad w pary sugeruje możliwy mechanizm powielania się materiału genetycznego”.

W 1962 roku Watson, Crick i Wilkins otrzymali wspólnie Nagrodę Nobla. W gronie laureatów nie było Franklin, która w 1958 roku, w wieku trzydziestu siedmiu lat, zmarła na nowotwór złośliwy jajnika wywołany prawdopodobnie ekspozycją na promieniowanie rentgenowskie. Gdyby nie jej przedwczesna śmierć, Szwedzka Akademia Nauk stanęłaby przed nie lada dylematem: obowiązuje bowiem zasada, że Nagroda Nobla za dane osiągnięcie nie może być przyznana więcej niż trzem osobom.

W latach pięćdziesiątych XX wieku dokonały się dwie rewolucje. Wybitni matematycy, wśród nich Claude Shannon i Alan Turing, wykazali, że każdą informację można zapisać w postaci kodu binarnego, to znaczy za pomocą dwóch cyfr binarnych, czyli zera i jedynki – tak zwanych bitów. Otworzyło to drogę do rewolucji cyfrowej, napędzanej układami operującymi dwoma stanami: włączony (1) i wyłączony (0). W tym samym czasie Watson i Crick odkryli, że instrukcje budowy każdej komórki w każdym żywym organizmie zakodowane są w postaci sekwencji DNA, które można zapisać za pomocą czteroliterowego „alfabetu”. Tak oto narodziła się era informacyjna, opierająca się na kodowaniu cyfrowym (0100110111001…) oraz genetycznym (ACTGGTAGATTACA…). Bieg rzeki historii przyspiesza, gdy łączą się w niej dwa nurty.

Rozdział 4

Edukacja biochemiczki

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 5

Ludzki genom

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 6

RNA

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 7

Skręcenia i fałdy

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 8

Berkeley

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Część druga

CRISPR

Uczony nie bada przyrody dlatego, że jest to użyteczne; bada ją, bo sprawia mu to przyjemność, a sprawia mu przyjemność, bo przyroda jest piękna.

Henri Poincaré, Nauka i metoda, 1908

Rozdział 9

Zgrupowane powtórzone sekwencje

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 10

Free Speech Movement Café

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 11

Do dzieła

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 12

Producenci jogurtu

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 13

Genentech

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 14

Laboratorium

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 15

Caribou

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 16

Emmanuelle Charpentier

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 17

CRISPR-Cas9

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 18

„Science”, 2012

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 19

Pojedynek na prezentacje

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Część trzecia

Edycja genów

Jak pełny wdzięków ludzki ród na ziemi!Jak jest szczęśliwy świat nowy, co żywiTakich mieszkańców!

William Shakespeare, Burza

Rozdział 20

Ludzkie narzędzie

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 21

Wyścig

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 22

Feng Zhang

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 23

George Church

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 24

Zhang mierzy się z CRISPR

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 25

Doudna przystępuje do wyścigu

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 26

Fotokomórka

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 27

Ostatnia prosta Doudny

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 28

Zakładanie firm

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 29

Mon Amie

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 30

Bohaterowie CRISPR

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Rozdział 31

Patenty

Rozdział dostępny w wersji pełnej.

Część czwarta

CRISPR w akcji

Nade wszystko, jeśli kto zachorzał, żadnej zgoła obrony nie miał,ni w spożyciu, ni w maści, ni w napoju, i tak bez pomocy marnieli,