Francis Crick war sich über die Bedeutung der DNS schon früh im klaren. Zu Beginn der 50er Jahre arbeitete er aber noch an Proteinen und wagte sich noch nicht an die Untersuchung der DNS. Nach James Watsons Einschätzung, war die Arbeit an der DNS in dieser Zeit (in England) das "Privatvergnügen" von Maurice Wilkins am King's College. Dort herrschten aber erhebliche Konflikte zwischen Maurice Wilkins und Rosalind Franklin. Ein Konflikt, der für der Aufklärung der DNS mit Sicherheit nicht hilfreich war.
"Wissenschafts-Clowns" – Die ersten Schritte
Obwohl Crick noch nicht sonderlich daran interessiert war selbst an der DNS zu arbeiten, stellte er sich sehr wohl die Frage, wie Gene sich vervielfältigen können. Das Zusammentreffen mit Watson war vermutlich für Crick der Auslöser, sich näher mit der DNS zu beschäftigen. 1952 trafen Watson und Crick Erwin Chargaff, der ebenfalls intensiv an der DNS arbeitete. Chargaff war von diesem Treffen allerdings nicht sehr angetan. Er hielt Watson für linkisch, Crick für aalglatt. Sein Urteil über das Team war zu dem Zeitpunkt gefällt, als er feststellen musste, dass Crick die chemischen Unterschiede zwischen den vier DNS Basen nicht richtig erklären konnte. Er hielt die beiden für Marktschreier auf der Suche nach einer Helix. Watson schrieb in seinem populären Buch Die Doppelhelix:
"Chargaff, einer der bedeutendsten DNS-Experten, war zunächst gar nicht entzückt, dass zwei krasse Außenseiter das Rennen gewinnen wollten. Erst als John [Kendrew] ihn mit der Bemerkung beruhigte, ich sei kein typischer Amerikaner, ging ihm auf, daß er im Begriff war, einem Verrückten zuzuhören. […] Ihren Höhepunkt erreichte Chargaffs Verachtung, als er Francis das Geständnis entlockte, er könne sich an die chemischen Unterschiede zwischen den vier Basen [der DNS] nicht mehr erinnern."
In einem späteren Brief an John Kendrew fragte Chargaff, "was denn seine beiden wissenschaftlichen Clowns im Schilde führen". Er sollte mit seiner Einschätzung letztlich nicht recht behalten. Zwar dürfte es richtig gewesen sein, dass die Kenntnisse von Watson und Crick zu dieser Zeit noch (erhebliche) Lücken aufwiesen, aber beide hatten sowohl das Talent als auch den Antrieb diese zu schliessen. Das Zusammenspiel der beiden unterschiedlichen Persönlichkeiten dürfte einen wichtigen Beitrag in der konstruktiven Auseinandersetzung mit der komplexen Materie geleistet haben.
Modellbildung vs. Strukturaufklärung?
Indem sie frühzeitig versuchten Modelle zu bauen, schlugen die beiden einen anderen Weg ein als beispielsweise Rosalind Franklin. Sie war der Ansicht, dass die experimentellen Erkenntnisse (Röntgenaufnahmen) noch keine Strukturvorschläge zulassen würden. Sie kritisierte folglich auch die Vorgehensweise Watson und Cricks als vorschnell. Franklins Ansatz war es, zunächst zu soliden und besseren Messungen zu kommen und dann erst Strukturmodelle zu erarbeiten. Auch lehnte Franklin zu dieser Zeit (im Gegensatz zu Watson/Crick und Wilkins) die Idee einer Doppelhelix ab.
Watson hingegen sah sich selbst inspiriert von Linus Pauling, der kurz zuvor einen Strukturvorschlag (alpha-Helix) des Hämoglobins veröffentlicht hatte:
"Ich kam bald dahinter, dass Paulings Leistung ein Produkt des gesunden Menschenverstandes und nicht das Ergebnis komplizierter mathematischer Überlegungen war. Hier und da hatte sich eine Gleichung in seine Beweisführung verirrt, aber in den meisten Fällen hätten es Worte auch getan. Der Schlüssel zu Paulings Erfolg war sein Vertrauen auf die einfachen Gesetze der Strukturchemie. Die Alpha-Spiralle war nicht durch ewiges Anstarren von Röntgenaufnahmen gefunden worden. Der entscheidende Trick bestand vielmehr darin, sich zu fragen, welche Atome gern nebeneinander sitzen. Statt Bleistift und Papier war das wichtigste Werkzeug bei dieser Arbeit ein Satz von Molekülmodellen. […] Wir sahen also keinen Grund warum wir das DNS Problem nicht auf die gleiche Weise lösen sollten."
Letztlich ist das aber zu einfach gedacht. Alleine aus Modellierungs-Versuchen heraus lassen sich derartige Probleme natürlich nicht lösen. Denn auch Paulings Entwurf des Hämoglobins war zunächst eben nur ein Vorschlag, der erst durch Perutz' experimentelle Arbeit bestätigt wurde. Ein plausibel aussehendes "schönes" Modell ist völlig wertlos, wenn es nicht experimentell geprüft wird. In der Geschichte der Wissenschaft gab es viele "elegante", "schöne" Ideen, die sich als falsch herausgestellt haben. In der Praxis ist daher die Strukturaufklärung ein Wechselspiel zwischen experimentellen Daten und darauf folgenden Modell-Vorschlägen, die dann wieder mit (gegebenenfalls neuen) experimentellen Daten geprüft und in vielen Fällen verworfen werden. So wird sich zeigen, dass sowohl Watson/Crick als auch Franklin in ihren Ansätzen zunächst zu extrem waren. Watson und Crick wird der Durchbruch erst gelingen, als sie ihre Modellierung mit Kenntnissen, die von Franklins Experimenten stammen, ergänzen.
Der Rückschlag? Ein DNS-Modell von Linus Pauling
Aber greifen wir nicht zu weit vor. Der nächste (vermeintliche) Rückschlag für die beiden folgte im Jahr 1952: Peter Pauling (der Sohn Linus Paulings) kam nach Cambridge ins Peterhouse-College, um mit John Kendrew zusammenzuarbeiten. Sein Vater schlug ihm vor auch mit Crick Kontakt aufzunehmen. So war Peter Pauling des Öfteren zu Gast im Haus von Francis Crick und seiner Frau Odile. Eines Tages berichtete Peter Pauling von einem Brief seines Vaters, in dem dieser mitteilte, dass es ihm und seinem Mitarbeiter Corey gelungen wäre, die DNS zu "knacken".
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| Linus Pauling [Wikimedia Commons] |
Watson war am Boden zerstört. Crick fährt mit seiner Schwester auf Skiurlaub, in der Meinung, Linus Pauling hätte das Rennen gewonnen. Denn Pauling galt als einer der bedeutendsten Chemiker der Zeit und eine derartige Ankündigung musste man ernst nehmen.
Ende Jänner 1953 hatten Peter Pauling, Watson und Crick schliesslich einen Vorabdruck des wissenschaftlichen Artikels über Linus Paulings Strukturvorschlag in Händen. Watson erkannte sofort, dass auch dieses Modell nicht stimmen konnte. Es war dem ersten eigenen (falschen) Modell zu ähnlich. Dieses Modell überraschte Watson, denn einem Chemiker wie Pauling hätte auffallen müssen, dass die chemische Struktur, die eigentlich eine Säure sein sollte, eben keine war. Der Artikel machte auf Watson und Crick den Eindruck, als wäre er in aller Eile geschrieben worden und würde nicht die Sorgfalt aufweisen, die üblicherweise Paulings Arbeiten auszeichneten.
Beiden war klar, dass nach der offiziellen Publikation auch andere diese Probleme schnell bemerken würden und Pauling dann alles daransetzen würde, seinen Fehler zu korrigieren. Bis zur Publikation aber – rund zwei Monate später – hätten er und Crick einen Vorsprung um das eigene Modell zu verbessern, beziehungsweise an einem neuen Vorschlag zu arbeiten.
Aufnahme 51
Ein fehlender Baustein zum Verständnis der DNS wurde James Watson eher zufällig von Maurice Wilkins geliefert. Wilkins zeigte Watson die beste DNS-Aufnahme, die er im Labor am King's College zu Verfügung hatte: Aufnahme 51 von Rosalind Franklin. Franklin selbst wußte nicht, dass Wilkins diese Aufnahme Watson zeigte. Ob dies ein Vertrauensbruch oder einfach "normaler" wissenschaftlicher Gedankenaustausch war, ist heute nicht einfach zu beurteilen. Man muss auch bedenken, dass Wilkins offenbar nicht klar war, welche Bedeutung dieser Aufnahme beizumessen ist. Außerdem dürfte Wilkins nicht einmal gewusst haben, dass Watson und Crick nach wie vor an dem DNS-Modell arbeiteten. Watson hingegen verstand sofort, dass dies eine der entscheidenden Informationen war, die Crick und ihm noch gefehlt hatten: Die Doppelhelix ist geboren. Mit Watsons Worten:
"In dem Moment, in dem ich dieses Bild sah, stand ich da mit offenem Mund, und mein Herz begann zu rasen."
Wilkins gab das Foto allerdings nicht aus der Hand. So zeichnete Watson das Muster auf der Zugfahrt von London nach Cambridge aus dem Gedächtnis nach.
Nun ging es schnell voran und auch Bragg gab auf ihr Drängen nach, vermutlich in der Hoffnung Linus Pauling, seinen alten Rivalen, doch noch schlagen zu können. Watson und Crick hatten nun doch den Rückhalt des Cavendish-Labors. Sie bekamen weitere Details über die Arbeiten am King's College (auch von Rosalind Franklin) aus einem Evaluierungs-Bericht, den Max Perutz erhalten hatte. Auch hier ist umstritten, ob es sich um einen Vertrauensbruch gehandelt hatte. Max Perutz antwortete später in einem Artikel auf den Vorwurf, er hätte diesen Bericht nicht weitergeben dürfen, dass er noch jung und unerfahren gewesen wäre und mit solchen Dingen eher informell umging. Zudem wäre dieser Bericht nicht vertraulich gewesen.
Jedenfalls hielten Watson und Crick nun die notwendigen Informationen in den Händen. Dennoch folgten zunächst viele erfolglose Modell-Versuche. Beide waren ratlos.
Chargaffs Beobachtung...
Schwierigkeiten bereitete unter anderem eine chemische Besonderheit der DNS, die Chargaff gefunden hatte: Die Hasenpaare der DNS (Adenosin, Cytosin, Thymin und Guanin) kommen nämlich nicht in beliebiger Konzentration, sondern vielmehr in bestimmten Verhältnissen vor. Die Anzahl der Thymin-Moleküle ist immer gleich der Zahl der Adenin-Moleküle und die Zahl der Cytosin-Moleküle gleich der Zahl der Guanin-Moleküle. Dies war eine ungeheuer wichtige Beobachtung, wenngleich die konkrete Bedeutung zunächst nicht verstanden werden konnte.
… und Donohues Vorschlag
Der letzte und entscheidende Hinweis kam von einem Kollegen des eigenen Labors, Jerry Donohue, einem Chemiker. Die Basen der DNS können in zwei chemischen Formen vorkommen, in einer sogenannten Enol- sowie einer Keto-Form (siehe Abbildung). Donohue schlug vor, statt der Enol-Form, die Keto-Form der Basen zu verwenden. Watson war diese Idee nicht gekommen, weil in damals gängigen Lehrbüchern der Sachverhalt anders dargestellt wurde. Donohue meinte schlicht, dann wären eben die Bücher falsch.
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| Keto-Enol Tautomerie: Das Molekül kann schnell zwischen diesen beiden Formen wechseln |
Mit den richtigen chemischen Formen und den Erkenntnissen Chargaffs gelang Watson der Durchbruch. Denn die noch offene Frage war, wie die beiden Stränge der DNS miteinander verbunden wären. Watson hatte zunächst eine "Gleiches mit Gleichem" Theorie vorgeschlagen: So würde sich beispielsweise Guanin mit Guanin binden, Adenin mit Adenin usw. Diese Theorie wurde von Crick kritisiert, da sich damit weder kristallographische Daten korrekt wiedergeben ließen, noch eine Erklärung der Chargaffschen Regeln daraus folgen würden. Als sich Watson näher mit dem Vorschlag Donohues, die Keto-Formen der Basen zu verwenden, auseinandersetzte, machte er eine fundamentale Entdeckung:
"Plötzlich merkte ich, daß ein durch zwei Wasserstoffbindungen zusammengehaltenes Adenin-Thymin-Paar dieselbe Gestalt hatte wie ein Guanin-Cytosin-Paar […]"
Damit ließ sich die Verbindung zwischen den beiden Strängen der DNS kristallographisch korrekt darstellen. Wenn zur Bindung immer entweder ein Adenin-Thymin-Paar oder ein Guanin-Cytosin-Paar notwendig waren, so erklärt dies natürlich auch die experimentellen Daten Chargaffs.
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| Watson und Cricks DNS-Struktur-Modell (C) Cold Spring Harbor Laboratory Library & Archives |
Februar 1953: Am Ziel angelangt!
Der Legende nach, hat Crick am 28. Februar 1953 im Pub "The Eagle" verkündet, das Geheimnis des Lebens gefunden zu haben. Aus wissenschaftlicher Sicht bedeutsamer als die Verkündigung in einem britischen Pub war natürlich die Publikation in einem Fachjournal; nichts anderes zählt in der Wissenschaft um darzustellen, dass man als erster durchs Ziel gegangen ist. So senden Watson und Crick einen Artikel an Nature. Der nur eine Seite lange Artikel beginnt mit den Worten:
"Wir wollen eine Struktur für das Salz der Desoxyribonukleinsäure vorschlagen. Diese Struktur hat neuartige Eigenschaften, die von besonderem biologischen Interesse sind."
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| DNS-Doppelhelix Phosphatrückgrat außen, gelb Basenpaare: Grün: Adenin Violett: Thymin Blau: Guanin Orange: Cytosin [Wikimedia Commons] |
"Es ist uns nicht entgangen, dass diese spezifische Art der Paarbildung, die wir vorgeschlagen haben, sofort einen möglichen Kopier-Mechanismus für das genetische Material nahelegt. (It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.)"
Mit britischem Understatement wird in diesem Artikel eine weitere Bombe gezündet. Was Watson und Crick andeuten ist ein entscheidender Durchbruch: Denn ihr Modell erklärt auch, wie genetische Information kopiert werden kann. Löst sich ein Strang der DNS ab, so kann dieser kopiert werden, indem die nun nicht gepaarten Basen sich ihre entsprechenden Partner aus der Umgebung "schnappen" und somit den zweiten Strang wieder aufbauen.
Das offensichtliche Problem war jedoch, dass die gesamte experimentelle Arbeit nicht von ihnen, sondern vielmehr am King's College (v.a. von Franklin) durchgeführt worden war, und sie diese Daten offiziell nie bekommen hatten. In diesem Artikel erwähnen Watson und Crick daher die Leistungen Donohues, sowie "unveröffentlichte experimentelle Ergebnisse und Ideen" von Wilkins, Franklin und deren Mitarbeitern. Auch erschien in derselben Ausgabe von Nature ein Artikel von Franklin und Gosling in der auch das Foto 51 gezeigt wird, sowie die Vermutung, dass die Aufnahme eine helikale Struktur nahelege. Für Leser blieb es aber verborgen, dass gerade diese Aufnahme von Watson und Crick verwendet wurde. Auch den Herausgebern von Nature war dieser Zusammenhang nicht klar, andernfalls hätten sie wohl auf eine deutliche Klarstellung bestanden. Auch Donohue meinte später, dass sein Beitrag nicht angemessen dargestellt worden wäre:
"Sehen wir es wie es ist, wenn der Zufall nicht dafür gesorgt hätte, dass Watson und Crick mit mir eine Büro geteilt haben, würden sie immer noch mit den Enol-Formen der Basen herumspielen."
Ob dies zutrifft oder nicht, ist im Nachhinein kaum zu beurteilen. Einerseits stimmt es, dass Watson und Crick Informationen von verschiedensten Seiten erhalten hatten. Andererseits hat Erfolg immer viele Väter und Mütter, und erzeugt Neid bei denjenigen, die am Ende nicht im Rampenlicht stehen.
Jahre der Prüfung
Apropos Rampenlicht: es wäre ein Irrtum anzunehmen, der heute legendäre Nature-Artikel des Jahren 1953 von Watson und Crick hätte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft wie eine Bombe eingeschlagen, und von heute auf morgen das Verständnis der DNS verändert. Derartige spontane Umbrüche widersprechen wissenschaftlichen Prinzipien und kommen daher auch nicht vor (auch wenn sie im Nachhinein gerne so dargestellt werden).
Vielmehr hatte es Jahre gedauert, bis die Bedeutung des Vorschlages anerkannt wurde. Das ist nicht unverständlich, sondern vielmehr gute wissenschaftliche Praxis. Einerseits gab es konkurrierende Modelle, etwa das Modell von Linus Pauling. Franklin hielt das Modell für einen Vorschlag, der erst gründlich geprüft werden müsse. Auch Chargaff blieb lange skeptisch und viele andere warteten nur auf den Zeitpunkt, wo sich dieses Modell (wie alle anderen zuvor) als Irrtum herausstellen würde.
Die Webseite des Kings College London schreibt über diese Zeit (und die Rolle von Maurice Wilkins):
"Dies war der Beginn von weiteren sieben Jahren Arbeit für Maurice Wilkins und seine Kollegen um Watson und Cricks hypothetisches Modell zu prüfen und zu verifizieren. Für diese Arbeit, sowie seine früheren Röntgendiffraktions-Studien wurde Wilkins gemeinsam mit Watson und Crick der Nobelpreis des Jahres 1962 verliehen."
Dies ist eine realistische Einschätzung des Sachverhaltes. Ein Modell vorzuschlagen ist eine Sache. Zu prüfen, ob es sich in der Realität bewährt dann weitere, oft jahrelange, mühsame Arbeit. Eine mühsame, aber mindestens ebenso bedeutende Arbeit, die einen Nobelpreis rechtfertigen kann; wenngleich eine, die oft im Schatten derjenigen steht, die die ursprüngliche Idee präsentieren.
In der Wissenschaft kommt es (entgegen der populären Darstellung) so gut wie nie vor, dass ein "Genie" einen bahnbrechenden Vorschlag unterbreitet und in kürzester Zeit diese Nachricht wie eine Lawine die Wissenschaft verändert. Gerade vermeintlich spektakuläre Vorschläge, wie das Modell von Watson und Crick, müssen besonders gründlich untersucht werden. Denn die meisten "völlig neuen und bahnbrechenden" Vorschläge erweisen sich als Irrtum. Erst eben diese Jahre der Prüfung machten das Modell "legendär" und stellten klar, dass es sich um die korrekte Darstellung der DNS-Struktur handelt.
Die Anerkennung für das Modell sowie die geleistete Arbeit erhalten Maurice Wilkins, James Watson und Francis Crick in Form des Nobelpreises des Jahres 1962.
Weiterführende Literatur
- James D. Watson, Die Doppelhelix (1971)
- Watson J.D. and Crick F.H.C., A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid, Nature 171, 737-738 (1953)
- The Discovery of the Molecular Structure of DNA - The Double Helix (Nobelprize.org)
- The Nobelprize in Physiology or Medicine 1962 (Nobelprize.org)
- Interview mit James Watson, Science Friday (November 2012)
- Brenda Maddox, Rosalind Franklin, The Dark Lady of DNA
- Andrew Brown, J D Bernal, The Sage of Science
- Georgina Ferry, Max Perutz and the Secret of Life
- History of LMB
- Krishna R. Dronamraju, Perspectives. Anecdotal, Historical and Critical Commentaries on Genetics; Edited by James F. Crow and William F. Dove. Erwin Schrödinger and the Origins of Molecular Biology
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