גילוי מבנה ה-DNA

מודל DNA אנושי

גילוי מבנה ה-DNA הוא מההישגים הגדולים של המדע במאה העשרים. ה-DNA היא מולקולת ענק (פולימר) של חומצת גרעין המכילה את כל המידע התורשתי לבנייתם של כל החלבונים בתא, בכל האורגניזמים הידועים, החל מחיידקים ועד לבני אדם, ואף בחלק מהנגיפים. שנים רבות נזקף הגילוי לזכות המדענים ג'יימס ווטסון האמריקאי ופרנסיס קריק הבריטי בשנת 1953. השניים אף זכו בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה על הגילוי בשנת 1962, יחד עם מוריס וילקינס. בדיעבד התברר שהגילוי שלהם התבסס, במידה רבה, על עבודתה של המדענית רוזלינד פרנקלין, עמיתתו של וילקנס, שנפטרה לפני מתן הפרס.

גילוי מבנה הסליל הכפול עם בסיסים משלימים הוביל גם לדרך שבה מולקולת DNA משתכפלת, על ידי הפרדת שני הסלילים ובניית המשלימים להם, ותהליך השעתוק בו מולקולת RNA מיוצרת לפי התבנית של ה-DNA (ולאחר מכן מתורגמת לחלבון). הבנות אלו העניקו תנופה משמעותית לתחום הביולוגיה המולקולרית.

הדרך לגילוי המבנה המרחבי של ה-DNA

גילוי חומצות הגרעין וההרכב הכימי שלהן

פרידריך מישר (1844-1895), ביו-כימאי שווייצרי שהתעניין במבנה התא, ערך אנליזה כימית על תאי הדם הלבנים (לוֹיְקוֹציטים) אותם לקח מתחבושות מלאות מוגלה שסיפקה לו קליניקה כירורגית סמוכה. במחקריו הוא שם לב שמלבד החלבונים הממלאים את נוזל התא (הציטופלזמה) ישנו בתא חומר נוסף שאינו חלבון. בטכניקה מיוחדת הוא שחרר את גרעין התא מתוך התא מבלי לפגוע בו וניתח את מבנהו הכימי. או אז התברר לו שהחומר הכימי שבגרעין שונה באופן מהותי מהחלבון, וכי בשונה מכל חלבון - הוא מכיל כמויות משמעותיות של זרחן. את התרכובת המיוחדת הזו המאכלסת את גרעין התא הוא כינה בשם "נוּקְלֵאִין" (nuclein ["גרעינן"]). בקיץ 1869 הוא אימת את השערתו שתרכובת כימית זו מקורה בגרעיני התאים, וכי היא מופיעה לא רק בתאי דם לבנים אלא בתאים רבים אחרים; תאי שמרים, כליות, כדוריות דם אדומות ורקמות אחרות. תגליתו התפרסמה באביב 1871 לאחר שבוצעו ניסויים נוספים שאיששו את המאמר. בשנים שלאחר מכן הוא המשיך לחקור את גרעין התא בתאי רבייה של דגי סלמון, המייצרים כמות גדולה של תאי רבייה. המיוחד בתא הרבייה הוא שהוא לא מכיל כמעט חומרים אחרים מלבד הגרעין, מה שהקל על חקירת הגרעין. ואכן במחקרו זה הוא גילה שה"נוקלאין" הוא למעשה מולקולה גדולה הבנויה ממספר קבוצות של חומצות, ובשנת 1889 טבע תלמידו, ריכרד אלטמן (Richard Altmann ‏; 1852-1900), את המונח "חומצה נוקלאית" (nucleic acid, חומצת גרעין).

ההרכב הכימי של חומצות הגרעין היה ידוע ברובו למישר וכן למעבדות אחרות. הן הכילו קבוצת סוכר הנקראת ריבוז (למעשה: דיאוקסיריבוז), קבוצת פוספט ובסיס המורכב מחנקן. כבר במאה התשע עשרה היה ידוע כי הבסיסים החנקניים של ה-DNA מורכבים מארבעה סוגים - אדנין, גואנין, ציטוזין ותימין.

אולם למעשה, באותה תקופה סברו כולם, וכך גם מישר, כי חומצת גרעין זו משמשת כעזר בנייה לתא או לחלבונים, וכי היא אינה משמשת תפקיד מהותי בהעברת התכונות במהלך ההפריה.

ההתמקדות בחלבונים

מתחילת המאה העשרים היה ברור לחוקרים בתחום כי הגנים, החומר התורשתי של האורגניזמים, ממוקמים בכרומוזומים שהם (כפי שהיה ידוע אז) מעין סבך של חלבונים וחומצות גרעין הנמצאים בגרעין התא של כל יצור חי. מבין שני המרכיבים הללו של הכרומוזומים, חומצות הגרעין והחלבונים, סברו רוב החוקרים כי דווקא החלבונים הם היכולים לשמש כנושאי המטען הגנטי, שכן רק להם מורכבות ורב-גוניות אשר יכולות, כך הייתה ההנחה, לשאת את המידע התורשתי. לעומתם, חומצות הגרעין הן מולקולות "פשוטות" יותר ואינן מורכבות כמו חלבונים. לפיכך התמקדו המאמצים העיקריים עד לתחילת שנות ה-50 בניסיונות להבין את מבנה החלבון, וכפועל יוצא מכך, להבין את אופן ההורשה של המידע הגנטי.

לינוס פאולינג, שנמנה עם החוקרים שהקדישו את מרבית חייהם המקצועיים לחקר מבנה החלבונים, סבר רוב הזמן כמרבית עמיתיו, כי החלבון הנמצא בכרומוזום נושא, ככל הנראה, את המטען התורשתי. כך אמר פאולינג עצמו בעניין זה בדיעבד:

I knew the contention that DNA was the hereditary material, but I didn't accept it," Pauling said about his thinking in 1951. "I was so pleased with proteins, you know, that I thought that proteins probably are the hereditary material rather than nucleic acids-but that of course nucleic acids played a part. In whatever I wrote about nucleic acids, I mentioned nucleoproteins, and I was thinking more of the protein than of the nucleic acids.

—

בשנת 1951 פרסם פאולינג יחד עם רוברט קורי, סגנו במעבדה בקליפורניה, מספר מאמרים שהיוו פריצת דרך בחקר מבנה החלבונים, והיו הראשונים שהצליחו לתאר את מבנה החלבון ברמה המולקולרית. באפריל 1951 פרסמו השניים את המוטיבים המבניים המרכזיים במבנה השניוני של חלבונים - סליל אלפא ומשטח בטא. והקדימו בכך את צוות החוקרים במעבדת קוונדיש באוניברסיטת קיימברידג' שבראשה עמד הפיזיקאי, חתן פרס נובל לפיזיקה, ויליאם לורנס בראג, חלוץ הקריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן.

במאי 1952 נערכה ועידה בנושא מבנה החלבונים באנגליה, אולם מלינוס פאולינג נמנע מלהשתתף בה, כי משרד החוץ האמריקאי סירב להנפיק לו דרכון, עקב פעילותו הפוליטית. היה זה בשיא המקארתיזם. יש הסוברים כי עקב ביטול ביקור זה נמנע מפאולינג מידע על עבודתה של פרנקלין (ראו למטה) שהיה מוביל אותו לפענוח המבנה. אולם, מנגד, פאולינג קיבל דרכון (לתקופה מוגבלת) זמן קצר אחר כך וסייר מחוץ לארצות הברית.

מחלבונים אל חומצות הגרעין

ניסוי איוורי-מקלאוד-מקארתי הראה ש DNA הוא המרכיב האחראי לטרנספורמציה בניסוי גריפית', שבו הוזרקו חיידקים מתים מזן אחד וחיידקים חיים מזן אחר לעכברים, שפיתחו זיהום של זן החיידקים המת.

עד לתחילת שנות ה-50 הניסיון היחיד כמעט לטעון כי ייתכן שנושאי המטען הגנטי אינם החלבונים שבכרומוזום אלא דווקא חומצות הגרעין, הופיע במאמר משנת 1944 שלא רבים הבחינו בו, של אוסוולד אייברי (Oswald Avery) ואחרים. אייברי, חוקר במכון רוקפלר בניו יורק, פרסם מאמר ביחד עם עמיתיו במגזין לרפואה ניסויית, ובו דיווח על האפשרות של העברת המידע הגנטי באמצעות מולקולת ה-DNA לבדה בבקטריה בשם Pneumococcus. היו שטענו כנגד מחקרו של אייברי כי מנגנון זה קיים ככל הנראה רק בחיידקים, ושעצם קיומו אינו מצביע על כך שהחומר התורשתי של שאר האורגניזמים נמצא גם הוא ב-DNA, ואולם כאמור, מעטים שמו לב למידע זה והקהילה המדעית הוסיפה להתמקד במחקר החלבונים.

ניסוי נוסף של שני חוקרים, אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס (שקרוי היום ניסוי הרשי-צ'ייס), נערך בשנת 1952 והיווה חיזוק לגישה לפיה החומר התורשתי נמצא בחומצות הגרעין הנמצאות בגרעין התא ולא בחלבונים. הרשי וצ'ייס חקרו בקטריופאגים הבנויים הן מחלבונים והן מ-DNA. בניסוי שלהם הם סימנו בסמנים כימיים (איזוטופים של גפרית ושל זרחן) את החלבונים של הבקטריופאגים והן את ה-DNA שלהם. לאחר מכן הניחו להם להדביק אוכלוסייה של חיידקים. בבדיקת אוכלוסיית החיידקים המודבקת התגלה כי החלבונים נשארו מחוץ לתאים שהודבקו ואילו ה-DNA נמצא בתוכם, דבר שאישש את המסקנה כי ה-DNA מהווה את החומר התורשתי, שכן הוא החומר שחדר לתא הפונדקאי על מנת להדביק אותו.

בסוף שנות ה-40 של המאה העשרים הבחין ארווין שרגף, מדען יהודי שפעל באוניברסיטת קולומביה, כי ה-DNA של כל תא בכל אורגניזם מכיל כמות גואנין שווה לכמות הציטוזין וכמות אדנין השווה לכמות התימין. הוא גם שם לב לכך שהתפלגות סוגי הבסיסים שונה מעט מאורגניזם לאורגניזם. הבחנות אלה נודעו כחוקי שרגף. החוקים חיזקו את הרעיון כי החומר הגנטי הוא ה-DNA, לאור השונות שהוא יכול לגלות בין אורגניזמים. השוויון בין בסיסי פירימידין ופורין רמז על מבנה של זוגות.

ההתמקדות ב-DNA – מעבדת קוונדיש

במעבדת קוונדיש, שבה נחקרו בשיטתיות המולקולות של גרעין התא, עבדו שני חוקרים ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק. ווטסון החל את לימודיו באוניברסיטת שיקגו בגיל 15, שם למד זואולוגיה, והגיע לקיימברידג' לפוסטדוקטורט כשהיה בן 23 בלבד. אף שהיה לו תואר דוקטור בביולוגיה, הידע שלו בנושאים של ביוכימיה ופיזיקה היה מועט ביותר. לעומתו קריק היה בן 35 ועדיין לא סיים את הדוקטורט. הוא התחיל את הקריירה האקדמית שלו כפיזיקאי, ובזמן מלחמת העולם השנייה היה מדען במעבדת האדמירלות הבריטית. אחרי המלחמה החליט לעבור לתחום הביולוגיה המולקולרית, שנראה בעיניו כתחום מתפתח, ולנצל לשם כך את הידע שלו בפיזיקה.

ווטסון פגש ב-1951 את מוריס וילקינס, במסגרת הרצאה שווילקינס נתן בכינוס בנאפולי, שם הציג תמונות של עקיפה של קרני רנטגן של מולקולת ה-DNA, ושמע ממנו על השימוש בשיטה זו (שבאמצעותה צולמו אותן תמונות) לצורך ניתוח המבנה של מולקולת ה-DNA. הרצאה זו שימשה לווטסון כמניע להתמקד בניסיון לחקור את מבנה ה-DNA. לא היה לו כמעט מושג בתחום זה וכאשר הגיע למעבדת קוונדיש הוא חלק חדר עם קריק, שבניגוד אליו היה בעל ידע משמעותי בתחום זה ובתחומים אחרים הקשורים לכימיה ולפיזיקה.

עיקר המחקר במעבדת קוונדיש נעשה בחלבונים, אך ווטסון וקריק החליטו להתחיל ולעבוד על ניסיון לפענח את המבנה המרחבי של ה-DNA. לדעתם, וכאמור בניגוד לתפיסה שרווחה באותה תקופה, היה סיכוי גבוה שדווקא מולקולה זו נושאת את החומר התורשתי. בנו של פאולינג, פיטר, נמצא אף הוא במעבדת קוונדיש, ובדרך זו זכו ווטסון וקריק למידע שעומד להתפרסם בתחום עוד לפני הפרסום בפועל. כך יכלו לעקוב אחר ההתקדמות של פאולינג (שנמצא בקליפורניה), ולקבל מידע רב-משמעות בעבורם שישמש, כפי שנראה, גם כמניע להתקדמות בפענוח המבנה.

אחת ההחלטות הראשונות של ווטסון וקריק, שהייתה לה כנראה משמעות רבה מבחינת הגילוי, היא ההחלטה שלהם לנסות ולבנות מודל פיזי שיתאר את מבנה המולקולה, בדומה לשיטה שבה נקט פאולינג במהלך גילוי המוטיב החלבוני ה"אלפא הליקס". המודל שניסו לבנות, כלומר מבנה המולקולה, אמור היה לעמוד בדרישות של הקשרים שבין מרכיבי המולקולה ולהיות בעל משמעות מבחינת יכולת ההעברה של המידע הגנטי.

המחקר של רוזלינד פרנקלין בקינגס קולג'

רוזלינד פרנקלין הייתה מדענית יהודיה אנגלייה שהוכשרה ככימאית פיזיקלית, וקיבלה דוקטורט ב-1945. בתחילת 1951 היא הצטרפה למעבדת קינגס קולג' לונדון, לאחר ששבה לאנגליה לאחר עבודה במעבדה בפריז. פרנקלין חקרה בפריז בעיקר את מבנה הפחם והתמחתה בטכניקות של קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן. ראש המעבדה, ג'ון רנדל, התכוון לנצל את הידע ואת ההתמחות שלה בקריסטלוגרפיה לצורך המחקר של מבנה המולקולות, הן של חלבונים והן של חומצות הגרעין. ממועד הגעתה לקינגס קולג' שימשה פרנקלין כמדריכה וכמנחה של דוקטורנט בשם ריימונד גוסלינג. היא נעזרה בו בכל מהלך עבודתה שם, המאמרים שלה בנושא ה-DNA נכתבו ביחד אתו.

לאחר תקופה קצרה של עבודה, הצליחה פרנקלין להפיק מספר תמונות טובות של עקיפה של קרני רנטגן של מולקולת ה-DNA. היא הייתה הראשונה שהבחינה בין שני סוגים או מצבים של המולקולה. למצב אחד קראה גבישי ("Crystalline") והגדירה אותו כסוג A, ואילו למצב השני קראה לח ("Wet") והגדירה כסוג B. פרנקלין ערכה צילומי רנטגן של שני הסוגים וניסתה להבין את ההבדלים ואת הקשר שביניהם. סוג A היה עבה וקצר יותר, והופיע במצב לחות נמוך. לעומתו היה סוג B ארוך ונמצא בתנאי לחות גבוהים יותר, כלומר הכיל מידה רבה יותר של מים. מן הניסיונות שפרנקלין ערכה עלה כי סוג A נמצא רק בתנאי לחות הנמוכים מ-75%, ומעל ערך זה נמצא סוג B. עוד גילתה פרנקלין כי היה מעבר של סוג A למצב של סוג B בתנאי לחות העולים על 75%.

חלק מהותי מעבודתה של פרנקלין, באותה תקופה, היה הניסיון למצוא את הקשר שבין שני הסוגים, את מהות ההבדלים שביניהם ואת התנאים שבהם סוג אחד משתנה לסוג האחר. להבחנה של פרנקלין בין שני הסוגים נודעה משמעות עצומה בחקר מבנה המולקולה, שכן מרב העבודה הקודמת בנושא לא התייחס כלל לקיומם של שני הסוגים, אף כי היה ברור שיש משמעות לשוני שביניהם בניסיון להבין את מבנה המולקולה. למעשה, כתוצאה מאי-ההבחנה בין שני הסוגים, היו חוקרים שנכשלו בהבנת המבנה בשעה שעשו שימוש בתמונות שביטאו את שני הסוגים: כאשר היו סבורים כי הם "מתבוננים" במולקולה מסוימת המופיעה בתמונות היו אלה למעשה שני מופעים שונים (מובן שהתמונות אינן של המולקולה עצמה אלא של העקיפה של קרני רנטגן המוקרנות עליה, והשימוש במונח "התבוננות" בתמונת המולקולה הוא בהקשר זה שימוש מטפורי).

מודל ראשון שגוי

ב-21 בנובמבר 1951 התקיים סמינר בקינגס קולג' בנושא חומצות הגרעין. פרנקלין הייתה הדוברת השלישית באותו סמינר, לאחר וילקינס וסטוק. ווטסון נוכח באותו סמינר ושמע את דבריה של פרנקלין (כהרגלו, באופן שהכעיס את קריק, לא ערך רישומים מההרצאה). באותה הרצאה דיברה פרנקלין, בין היתר, על ההבחנה שלה בין שני סוגי ה-DNA, על כך שיחידות הפוספט אמורות להיות בצד החיצוני ולא הפנימי וגם פירטה את כמויות המים שאמורות להימצא במולקולה בהתאמה לחלקים אחרים שלה, נתון שיש לו חשיבות רבה מבחינת יציבות המולקולה.

הניסיון הראשון של ווטסון וקריק משנת 1951 לבנות מודל של המולקולה התבסס על הדברים שווטסון שמע וזכר (אך כנראה לא הבין) מאותה הרצאה. מודל זה התבסס על ההנחה של מולקולה בעלת שלושה סלילים שקבוצת הפוספט נמצאת במרכזה, ואולם במצב זה המולקולה אינה יציבה ואמורה להתפרק בגלל המטען החשמלי שנמצא, לפי המודל, במרכז. מודל זה שגוי גם בכל הנוגע לכמות מולקולות המים, כמות שאינה מאפשרת את קיומן של האינטראקציות בין חלקי המולקולה, ולכן בסופו של דבר אינו יכול לבטא את המבנה הנכון.

פרנקלין, שהוזמנה ביחד עם וילקינס וחוקרים נוספים של קינגס קולג' לראות את המודל – פסלה אותו מיד. ברגע שראתה את המודל הבינה פרנקלין כי אינו מתאים לתוצאות שהוצגו על ידה, וכי ווטסון לא הבין את דבריה בסמינר, הן באשר לכמות יחידות המים שאמורות להיות במולקולה והן באשר למיקום של יחידות הפוספט. לאחר ניסיון זה הורה להם בראג, מנהל המעבדה, להפסיק לעבוד על מבנה ה-DNA ולהתמקד בתחומים אחרים.

החזרה לעבודה על DNA והניסיון השני של בניית המודל

ב-1952 נערך ניסוי הרשי-צ'ייס שהיווה תמיכה משמעותית להנחה שה-DNA הוא החומר התורשתי הנמצא בתא החי. מאורע נוסף שהשפיע על ווטסון וקריק לחדש את הניסיונות לבנות מודל נוסף היה העובדה שנודעה להם כי פאולינג החל לעבוד בעצמו על פענוח המבנה. בחודש דצמבר 1952 שלחו פאולינג וקורי לפרסום מאמר שכלל הצעה למבנה ה-DNA. פיטר פאולינג קיבל מאביו טיוטה של המאמר והראה אותה לחוקרים במעבדת קוונדיש ובהם ווטסון וקריק. המודל של פאולינג וקורי הוא מודל של שלושה סלילים (בדומה למודל השגוי של ווטסון וקריק מסוף שנת 1951) וגם בו יחידות הפוספט נמצאות במרכז. ווטסון וקריק הבחינו מיד כי פאולינג טעה טעות חמורה במודל ביחס למיקום חלקי המולקולה (טעות מפתיעה מצד מי שבעצמו ניסח את חוקי הקשרים הכימיים במולקולות), ואולם המידע שהגיע אליהם בדרך זו, כי פאולינג התחיל לעבוד באופן יסודי על מבנה ה-DNA, עודד אותם לחזור לעבודתם בנושא: הם הבינו כי פאולינג עלול לגלות מה שגוי במודל ועלול להצליח לתקן אותו. מסיבה זו הסכים בראג, בניגוד להוראה שנתן להם כשנה קודם לכן, כי יחזרו לעבוד על בניית המודל של מולקולת ה-DNA. בשלב זה במיוחד, לקראת בניית המודל הסופי, עשו ווטסון וקריק שימוש מהותי במידע של פרנקלין ולמעשה התבססו עליו על מנת להגיע למודל הסופי. בפברואר 1953 פורסם המאמר של פאולינג וקורי בכתב העת PNAS.

השימוש בנתונים של פרנקלין

לפחות שלושה ממצאים הנובעים ישירות מעבודתה של פרנקלין, שימשו את ווטסון וקריק כדי להגיע לבניית המודל הסופי של ה-DNA. למידע זה הייתה חשיבות גדולה בגילוי המבנה שלו.

• ההרצאה של פרנקלין בסמינר בחודש נובמבר 1951 - שם הציגה בפני הנוכחים, ווטסון בתוכם, את שני המצבים של המולקולה, סוג A וסוג B וכן הציגה את ההנחה שלה כי יחידות הפוספט נמצאות בחלקה החיצוני של המולקולה. כמו כן היא פירטה את כמויות יחידות המים שאמורות להיות במולקולה. פרנקלין הייתה הראשונה לגלות ולנסח עובדות אלה אשר היוו למעשה בסיס לכל הניסיונות שנעשו, החל מאותו מועד ואילך, לבניית המודל של המולקולה.
• תצלום 51 - צילום בקרני רנטגן של המולקולה מסוג B, שערכה פרנקלין בחודש מאי 1952 לערך. בתחילת 1953, לאחר שקיבל לידיו את טיוטת המאמר של פאולינג וקורי, הגיע ווטסון לקינגס קולג', ככל הנראה במטרה לנסות ולדלות מידע על מנת לבנות שוב את המודל. הוא הראה את הטיוטה לפרנקלין, אך היא לא הייתה מעוניינת לדון עמו בעניין. לאחר מכן ניגש עם הטיוטה אל וילקינס ושאל אותו על אודות המידע שיש לו ולפרנקלין על ה-DNA. להפתעתו הראה לו וילקינס את אחד מתצלומי העקיפה של המולקולה שערכה פרנקלין, כמובן ללא ידיעתה. מאוחר יותר, בספרו "הסליל הכפול", הסביר ווטסון עד כמה היה התצלום שראה אז חשוב ומהותי לגבי ההשערה שלו ביחס למבנה המולקולה: "ברגע בו ראיתי את התצלום נפער פי לרווחה והדופק שלי החל לדהור".

התצלום שאליו התייחס ווטסון ידוע כיום כתצלום מס' 51, וביחס אליו ואל תצלומים אחרים שביצעה פרנקלין אמר ג'ון דזמונד ברנל, שהיה אחד מהאבות המייסדים של הקריסטלוגרפיה, ומי שעמד בראש המעבדה בבירקבק, בדברים שנשא לזכרה של פרנקלין "הצילומים שצילמה היו בין צילומי הרנטגן היפים ביותר של חומר כלשהו".

• דו"ח שחיברה פרנקלין בסוף שנת 1952 עבור ועדה מטעם ה-MRC. בחודש דצמבר 1952 נערך ביקור מטעם מועצת המחקר הרפואי (גוף שכינויו המקובל הוא MRC, על פי ראשי התיבות של השם באנגלית), במעבדה של ג'ון רנדל, שקיבלה מימון מגוף זה (כמו גם היחידה שבה עבדו ווטסון וקריק). לקראת אותו ביקור הכין רנדל דו"ח על הפעילות במעבדה בנושא מחקר חומצות הגרעין, ובמסגרת זו כל אחד מהחוקרים, ופרנקלין בתוכם, כתב סיכום של עבודתו. בדו"ח שלה כללה פרנקלין התייחסות לסוגי המולקולה כפי שהוצגו בסמינר שלה, וסיכום של תוצאות נוספות שאליהן הגיעה עד לאותו מועד. אחד מחברי הוועדה של ה-MRC היה מקס פרוץ, שעבד גם במעבדת קוונדיש, והיה למעשה המנחה של קריק בעבודת הדוקטורט שלו שטרם נסתיימה. לבקשתם של ווטסון וקריק מסר להם פרוץ את הדו"ח, שכלל את סיכום המחקר והנתונים של פרנקלין עצמה. הדו"ח כלל, מלבד תיאור העבודה והמסקנות שעולות ממנה, גם נתונים מספריים שנובעים מתמונות העקיפה של המולקולה שפרנקלין ערכה. אחד הנתונים החשובים שהופיעו בדו"ח זה היה כי המבנה הסימטרי של ה-DNA הוא של המערכת הגבישית המונוקלינית, חבורת סימטריות מרחבית $\mathrm {C} 2\,\!$ ("מונוקליני המימורפי").

בניית המודל הנכון

מודל של DNA

כאמור, כאשר קריק ראה את הנתון הזה בדו"ח של פרנקלין הוא הגיע מיד למסקנה שנובעת מכך, כי הסלילים במולקולה נמצאים בכיוונים מנוגדים. רק קריק יכול היה להסיק זאת כי לווטסון לא היה כלל מושג בתחום זה של קביעת מבנה של מולקולה.

ואכן, לאחר שווטסון ראה את התצלום ולאחר קריאת הנתונים שבדו"ח חלה התקדמות מהירה מאוד. ב-4 בפברואר 1953 ניסו ווטסון וקריק שוב לבנות את המודל, והפעם מודל של סליל כפול המתבסס במפורש הן על הנתונים שווטסון ראה בתצלום 51 והן על הנתונים שהופיעו בדו"ח של פרנקלין למועצת המחקר הרפואי, שהתקבל מפרוץ. ואולם למרות זאת אחת הבעיות בפניה עמדו ווטסון וקריק בהשלמת המודל הייתה הזיווג הנכון של הבסיסים, כאשר כל חלק מהמולקולה אמור היה להתאים לחלקים האחרים מבחינת הקשרים הכימיים הדרושים. במשך ימים לא מעטים ניסה ווטסון לחבר את החלקים (הוא השתמש בשלב זה בחלקי קרטון) של המולקולה. בתחילה הוא ניסה לחבר אותם בשיטה של "דומה" עם "דומה" כלומר פורין מתחבר עם פורין ופירימידין עם פירימידין, אך התוצאות שהתקבלו בצורת זיווג זו לא התאימו לקוטר של המולקולה כפי שהופיע בדו"ח של פרנקלין. לאחר מכן הוא ניסה לזווג פורין לפרימידין - A עם T ו C עם G אבל שוב, הוא לא הצליח לקבל מבנה שיתאים מבחינה מבנית לקשרים הכימיים הדרושים ולנתונים של פרנקלין.

בשלב זה נכנס לתמונה חוקר כימאי בשם ג'רי דונויו (Jerry Donohue) שישב באותו חדר עם ווטסון והיה תלמידו לשעבר של פולינג. דונויו ראה את החלקים שבהם השתמש ווטסון (כלומר את הפיסות שביטאו דגם של הבסיסים) ואת הניסיונות שלו לזווג את הבסיסים ללא הצלחה. הוא הבחין כי ווטסון משתמש בצורת בסיס הנקראת "אנול" (הבסיס החנקני יכול להתקיים בשתי צורות כימיות שונות - צורה אחת נקראת "אנול" והשנייה נקראת "קטו" כאשר לקטו ישנו אטום חמצן אחד חופשי שיכול לשמש ליצירת הקשר הכימי). דונויו שאל את ווטסון מדוע הוא עושה שימוש באנול ולא בקטו, ונענה כי כך נכתב בספר בסיס של ביוכימיה של חומצות גרעין. דונויו הסביר לווטסון כי אכן כך נכתב בספרי הלימוד אולם מדובר בטעות וכיום מקובל על הכימאים כי בחומצות הגרעין הבסיסים מופיעים בצורת קטו ולא בצורת אנול. עזרה זו תרמה לווטסון תרומה משמעותית ואיפשרה לו לבסוף לבצע את זיווג הבסיסים הנכון.

בניית המודל (והפעם המודל הנכון) הסתיימה בסופו של חודש פברואר. ב-28 בפברואר 1953, בהתאם לגרסתו התיאטרלית של ווטסון בספרו, נכנס קריק בסערה אל פאב ה-Eagle והודיע לכולם כי "מצאנו את הסוד של החיים". המאמר שלהם נכתב במהלך חודש מרץ, ונשלח לפרסום ב-2 באפריל 1953.

ישנה טענה כי קריק קיבל את ההשראה למבנה הסליל בעקבות שימוש ב-LSD אולם זו הוכחה כשגויה.

המאמרים ב-Nature

המאמר של ווטסון וקריק על גילוי המבנה המרחבי של ה-DNA הופיע בגיליון מספר 171 של כתב העת Nature מ-25 באפריל 1953. המאמר קצר ביותר ומשתרע על פני מעט יותר מעמוד וכותרתו "המבנה המולקולרי של חומצות גרעין" (Molecular Structure of Nucleic Acids). מלבד המאמר של ווטסון וקריק הופיעו שני מאמרים נוספים הקשורים למבנה ה-DNA. המאמרים מופיעים באותו גיליון, זה אחר זה: הראשון הוא המאמר של ווטסון וקריק, מיד אחריו המאמר של וילקינס (ביחד עם סטוק ווילסון) אשר נקרא "מבנה מולקולרי של חומצות גרעין דאופנטוזיות" (Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids), ולאחר מכן מופיע המאמר של פרנקלין ותלמיד המחקר שלה גוסלינג – "תצורה מולקולרית בתימונוקליאט" (Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate). כל שלושת המאמרים אף נשלחו לפרסום באותו תאריך עצמו.

מחד – ברור כי לא קיים קשר בין המאמרים והם אינם פרי עבודה משותפת של כל המחברים יחדיו. מבחינת כל אחד מהמחברים מדובר בעבודת מחקר נפרדת אם כי בתחום המחקר המשותף לכולם – חומצות הגרעין. מאידך – וילקינס ופרנקלין ידעו כבר על הגילוי של ווטסון וקריק כאשר הגישו את המאמרים שלהם לפרסום, ולכן שניהם מתייחסים אליו. הם מצביעים, כל אחד מהם במאמרו שלו, כיצד הנתונים המפורטים בו מתיישבים או אף תומכים בהשערת המבנה של ווטסון וקריק שהופיעה במאמרם. בניגוד אליהם, ווטסון וקריק עצמם לא ציינו בגוף המאמר, למעט בפסקת התודות שבסיומו, את עבודתם של וילקינס ופרנקלין, ודבר לא נאמר על תרומתה המיוחדת של פרנקלין עצמה לגילוי. התעלמות זו, שאליה מתוספת הופעת שלושת המאמרים יחדיו, יצרה תחושה, במיוחד לנוכח העובדה כי המאמר של ווטסון וקריק היה בעל החשיבות הרבה ביותר מבחינת תוכנו, כי למעשה המאמרים של וילקינס ופרנקלין נכתבו כסוג של אישוש ניסויי להשערה של ווטסון וקריק, במקום לראות בהם את אשר היו לאמיתו של דבר: מחקר נפרד ועצמאי של כותבי אותם מאמרים.

ההסתרה וההכחשה של תרומתה של פרנקלין לגילוי החלה כבר במאמר על הגילוי עצמו. בפסקת הסיום של המאמר על הגילוי מציינים המחברים שמות חוקרים אשר בעבודותיהם הם נעזרו, או שעליהן התבססו, ובין היתר הם מתייחסים לפרנקלין ולווילקינס יחד עמה, במשפט הבא: "מאמצינו קיבלו חיזוק מידע על הטבע הכללי של תוצאות ניסוייות שטרם פורסמו והרעיונות של ד"ר מ. ה. פ. וילקינס, ד"ר ר. א. פרנקלין ועמיתיהם בקינגס קולג', לונדון". מלבד אמירה כללית זו ביחס לעבודות אשר נעשו בקינגס קולג' לונדון אין במאמר כל אזכור למהות עבודתה, או לתרומתה של פרנקלין לגילוי. לין אלקין (Lynne Elkin), פרופסור לביולוגיה מהייוורד, אשר כתבה וכותבת על מקומה של פרנקלין בגילוי, אמרה על המשפט הבודד הזה המאזכר את פרנקלין במאמר על הגילוי, את הדברים הבאים: "זהו ככל הנראה אחד המשפטים שנאמרו בלשון המעטה הגדולה ביותר בהיסטוריה של הכתיבה המדעית".

במאמר המפורט יותר משנת 1954 פרנקלין כבר אינה נזכרת כלל, גם לא במסגרת אלה שהם מודים להם על תרומתם, והפעם הם הסתפקו באמירת תודה לווילקינס בלבד וכן לחוקרים נוספים, אך לא מהמעבדה שבה עבדו וילקינס ופרנקלין.

ההכרה בתרומתה של פרנקלין לאחר מותה

פרנקלין נפטרה בשנת 1958. סיפורה עבר תהפוכות לא מעטות בשנים לאחר מכן, שהביאו למידע, שלא היה ידוע קודם לכן, על תרומתה לגילוי המבנה המרחבי של ה-DNA. פרנקלין לא ידעה כלל במועד פטירתה כי למעשה עבודתה ומחקרה שימשו בסיס עיקרי לגילוי המבנה המרחבי של ה-DNA על ידי ווטסון וקריק.

ב-10 בדצמבר 1962 קיבלו ווטסון, קריק וגם וילקינס את פרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה עבור גילוי המבנה המרחבי של ה-DNA. בנאום קצר שנשא ווטסון במעמד הענקת הפרס לא אוזכרה כלל פרנקלין. גם בהרצאות שנשא כל אחד מהם, כמקובל, יום לאחר הטקס, לא הזכירו ווטסון וקריק את פרנקלין. וילקינס אמנם טרח לציין את שמה בהרצאתו, אך עשה זאת רק במסגרת דברי תודה לקבוצת חוקרים שבשמותיהם נקב, על עבודתם המשותפת במעבדת קינגס קולג' שבה עבד. במועד קבלת פרס נובל, לא הייתה פרנקלין בין החיים זה ארבע שנים. קולה לא יכול היה עוד להישמע, ודווקא בשל כך ההימנעות מלהזכיר אותה צורמת ומעוררת תמיהה. השאלה "מה הייתה תרומתה של פרנקלין לגילוי?" עדיין לא התעוררה כלל במועד זה.

חלפו שש שנים נוספות עד שהשאלה האמורה החלה להעסיק את הקהילה המדעית, ולא רק אותה. לאחר ששקד על כתיבתו במשך שנתיים, פרסם ווטסון בשנת 1968 את ספרו: "The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of The Structure of DNA" ("הסליל הכפול"), שבו הוא מספר על הגילוי מנקודת מבטו, תוך שהוא מתייחס לשאר האנשים שהיו מעורבים בעניין, לרבות פרנקלין עצמה. באופן אירוני למדי, דווקא ספרו, שהמעיט בחשיבות עבודתה ואשר צייר אותה באופן דמיוני לגמרי ואף מסולף, כמעין "טכנאית", שלא הבינה את המשמעות של הנתונים שלה, הוא שהביא למחקר על תרומתה ולגילוי חלקה שהוסתר זמן כה רב.

ווטסון חשב בתחילה לקרוא לספרו "זוג בסיסים" (Base Pairs), שם שהוא כמובן בעל משמעות כפולה בהקשר זה. ואולם קריק התנגד לשם זה מפני שלא רצה שיחשבו שהוא (קריק) מוגדר כבסיס. לאחר מכן הציע ווטסון את השם "ג'ים ההגון" (Honest jim) קריק דווקא לא התנגד לשם זה, ואולם הוא הביע התנגדות עזה לתוכנו של הספר והגדיר אותו באחד ממכתביו לווטסון בעניין כרכילות ברמה של מגזינים לנשים. קריק שלח מכתבי התנגדות להוצאה לאור של אוניברסיטת הרווארד וכתוצאה מכך, לאחר פניות הן של קריק והן של מדענים אחרים, ההוצאה סירבה להוציאו לאור, בין היתר עקב חשש ממשפטי דיבה. עותקים של כתב היד המקורי נשלחו לכמה מדענים. אחד מהם, ג'ון קנדרו, קריסטלוגרף זוכה פרס נובל באותה שנה של ווטסון וקריק, שלח עותק של הספר לג'ון דזמונד ברנל. והלה כתב לו בתגובה כי אומנם נהנה מאוד מקריאת הספר, אבל הוסיף כי ווטסון "בלתי הגון באופן מיוחד לגבי התרומה של רוזלינד פרנקלין ואינו מזכיר את ההיטל שלה של המבנה הסלילי של ה-DNA המראה את מיקומם החיצוני של קבוצות הפוספטים", אך ברנל לא נקט ככל הידוע בפעולה על מנת לתקן מצב זה.

לאחר שפורסם הספר "הסליל הכפול" החלו להיכתב על חלקה ותרומתה מאמרים רבים, בתחילה בשנת 1968, ולאחר מכן בשנת 1974 על ידי אהרון קלוג, שותפה למחקר בבירקבק, שהצביע באותם מאמרים, בין היתר בהתבסס על מחברות העבודה שלה עצמה, על התרומה הרבה שלה לגילוי ועל עד כמה הייתה קרובה להגיע לגילוי המבנה בעצמה.

על חשיבות הדו"ח של פרנקלין לגילוי אמר אפילו ווטסון עצמו בשנת 1969 (לאחר פרסום ספרו "הסליל הכפול"), כי אף שלא היה הכרחי היה חשוב מאוד מאוד. הדברים נכתבו בתשובה למכתב של מקס פרוץ לכתב העת Science בשנת 1969 ופורסמו באותו גיליון. במכתבו של פרוץ מופיעה מעין התנצלות על כך שמסר לווטסון ולקריק את הדו"ח ללא אישורה, ואף ללא ידיעתה של פרנקלין, אם כי לדבריו לא היה הדו"ח סודי ומטרת הוועדה הייתה ליצור שיתוף פעולה בין היחידות הנתמכות על ידי מועצת המחקר הרפואי. גם קריק אמר (כך לפי פרוץ באותו מכתב) כי בדו"ח היו נתונים שהובאו לידיעתו בפעם הראשונה. "קריק מספר לי כיום שהדו"ח הביא לידיעתו לראשונה את הסימטריה המונוקלינית של תא היחידה". לדבריו של קריק, שנאמרו לפרוץ, נודעת משמעות מבחינת השאלה עד כמה שימש הדו"ח כנתון מהותי ואפילו הכרחי בעת בניית המודל. אחת הנקודות אשר טרם היו ברורות בשלב הזה, לא לפרנקלין ובוודאי שלא לווטסון ולקריק, היא השאלה מהו הכיוון של הסלילים במולקולה. בדו"ח הנ"ל של פרנקלין היא כתבה בתחילת הפסקה השנייה את הדברים הבאים: "היה ברור שהתצורה הגבישית הייתה מבוססת על תא יחידה מונוקליני ממורכז פאה שבו ציר ה-c מקביל לציר הסיב" (ראו הסברים בערך במערכת הגבישית המונוקלינית. מבחינת קריק, הדברים היוו מידע חשוב מאין כמוהו משום שמשמעותם הייתה כי הסלילים ממוקמים בכיוונים הפוכים (Anti-parallel). לדבריו של קריק עצמו, ללא מידע זה הוא לא היה יודע כיצד למקם נכון את חלקי המולקולה בבניית המודל.

מקס פרוץ הסביר את המעשה שלו, מסירת הדו"ח ללא ידיעתה או אישורה של פרנקלין, בכך שהיה חסר ניסיון בעניינים אדמיניסטרטיביים. הוא "הודה" במבט לאחור כי היה עליו לקבל את רשותו של רנדל למסירת הדו"ח, ומבקש להדגיש כי למעשה כל הנתונים שהופיעו בדו"ח נסקרו כבר על ידי פרנקלין בסמינר משנת 1951 והם היו יכולים להיות בידיעתו של ווטסון, אם הוא היה רושם לעצמו נקודות מאותו סמינר. כלומר מבחינתו של פרוץ (ואולי על מנת להשקיט את מצפונו) מסירת הדו"ח לא הוסיפה לווטסון וקריק כל מידע חדש, אלא רק מידע שהיה לדעתו נחלת הכלל קודם לכן, שכן הוא נמסר בהרצאה של פרנקלין. אולם, יש הבדל משמעותי בין התוצאות שהשיגה פרנקלין בסוף שנת 1951 (מועד הסמינר), לעומת התוצאות שכבר היו בידיה במועד עריכת הדו"ח – סוף שנת 1952. מדובר בשנה שלמה של עבודה שבמהלכה הידע שלה התקדם מאוד. זאת ועוד, את הדו"ח קיבלו ווטסון וקריק מפרוץ במהלך חודש פברואר 1953, זמן קצר לאחר שווילקינס הראה לווטסון את צילום מס' 51 של פרנקלין ביחס לסוג B, כך שאין ספק שהדו"ח גם הוסיף להם וגם עזר להם לבחון את הנתונים המדויקים שיש בידי פרנקלין, אשר מסבירים את אותו תצלום ותצלומים אחרים. כך או כך, כאמור, דעתו של קריק עצמו, מבטלת למעשה לגמרי את הטענה של פרוץ.

בשנת 1975 פירסמה חברתה אן סייר (Sayre, A) ביוגרפיה בשם Rosalind Franklin And DNA, אשר אף על פי שלא נכתבה כביוגרפיה לפי הגדרתה של סייר עצמה, היוותה למעשה כתב הגנה חריף כנגד הטענות השקריות שהעלה ווטסון בספרו "הסליל הכפול".

לקריאה נוספת

• ג'יימס ווטסון, הסליל הכפול, (תרגום מאנגלית: איתי בן פורת), ספרי עליית הגג - סדרת עיון ומדע, הוצאת ידיעות ספרים, אפריל 2003. מסת"ב 9654485621 ‏(225 עמודים)
• ברנדה מדוקס, רוזלינד פרנקלין: הגברת האפלה של הדנ"א, (תרגום מאנגלית: עדי מרקוזה-הס), ספרי עליית הגג, הוצאת ידיעות ספרים, ספטמבר 2009. מסת"ב 9789655118834 ‏(461 עמודים)
• ג'ון גריבין, היסטוריה של המדע: 2001-1543, ספר חמישי, פרק 14 - "בממלכת החיים" (עמ' 479-624), (תרגום מאנגלית: דפנה לוי), ספרי עליית הגג - סדרת מדע ופילוסופיה, הוצאת ידיעות ספרים, אוגוסט 2010. מסת"ב 9789655114997 ‏(702 עמודים)

קישורים חיצוניים

• גרסה מוערת של המאמר של ווטסון וקריק, אתר האקספלורטוריום
• לינוס פאולינג והמרוץ ל-DNA, אוסף מסמכים בנושא גילוי ה-DNA.
• יוחאי וולף, ‏המאמר שהגדיר מחדש את הגנטיקה, מדור "היום לפני במדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי‏, 25 באפריל 2016

הערות שוליים

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

23526227גילוי מבנה ה-DNA