70 лет назад, 25 апреля 1953 г в журнале «Nature» была опубликована статья ученых Френсиса Крика и Джеймса Уотсона, в которой была предложена расшифровка структуры ДНК. Статья имела огромный успех, предложенная ими модель структуры была доказана, и авторы были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине в 1962 году. Однако этого открытия бы не состоялось без рентгенограмм структуры ДНК, полученных ученой-биофизиком Розалинд Франклин.
А что такое рентгенограммы?
В привычном для нас понимании рентген – это что-то из больницы.
На самом деле изучение микроскопической структуры различных соединений происходит совсем не так.
Устройство, благодаря которому все это происходит, - рентгеновская трубка.
Она представляет собой вакуумную стеклянную трубку, внутри которой находятся электроды: катод и анод. Катод нагревается, и при нагревании испускает электроны. Между катодом и анодом образуется электрическое поле из-за большой разности потенциалов. Благодаря этому полю электроны разгоняются и приобретают большую энергию. Ускоренные электроны попадают на анод и испытывают резкое торможение, теряя из-за этого часть приобретенной энергии. Часть энергии преобразуется в тепловую, а часть – выходит из трубки в виде рентгеновского излучения.
Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение с длинами волн в интервале 1 - 0,01 нанометров. И помимо высокой проникающей способности (что и используется в больнице), у рентгена есть еще одна особенность, которая полезна.
Благодаря своему очень маленькому размеру рентгеновские лучи используются в рентгеноструктурном анализе - это один из методов изучения кристаллической структуры. Рентгеновские лучи, полученные в трубке, направляют на исследуемый образец.
Лучи взаимодействуют с электронами образца, происходит дифракция лучей - их отклонение. Эти отклоненные лучи далее попадают на фотопленку и образуют там дифракционную картину. Получаемая картина говорит о положении атомов в кристаллической решетке образца.
Разумеется, этот метод подходит только для веществ, имеющих кристаллическую структуру. Поэтому для изучения многих биологических объектов, например, белков, необходимо сначала получить кристалл образца. Если кристаллической структуры не будет – четкая дифракционная картина не получится.
В случае с ДНК были определенные сложности, поскольку кристаллизовать ее смогли только в 1970-х. До этого четкое изображение ДНК смогли получить только по методу Розалинд Франклин.
Она предложила заполнить среду аппарата водородом, чтобы уменьшить рассеяние рентгеновских лучей, и также исследовать не просто ДНК, а её натриевую соль. ДНК погружали в раствор соли высокой концентрации, а затем из раствора получали волокна ДНК с плотной структурой. Высушенные волокна исследовали рентгеном.
Потребовалось 62 часа для того, чтобы получить четкую картину – знаменитую фотографию 51. Эта фотография позволила сделать вывод о двунитевой структуре ДНК, рассчитать шаг спирали и её периодичность и послужила толчком для создания структурной модели. Именно это исследование послужило основой для дальнейшего развития изучений в области генома.
Кстати, открытие структуры ДНК связано с неоднозначной историей, о которой до сих пор спорят в мировом научном сообществе. По распространенной версии, фотография 51 попала в руки Уотсона и Крика без ведома самой Франклин, при этом в соавторы работы Франклин не включили.
Смотрите новые видео на youtube.com/@PhysFromPobed
Приобретайте наши конструкторы на fizikits.ru