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「核酸の分子構造：デオキシリボ核酸の構造」は、 X線回折とらせん変換の数学を用いてDNAの二重らせん構造の発見を記述した最初の論文でした。これは、フランシス・クリックとジェームズ・D・ワトソンによって科学雑誌ネイチャーの第171巻737～738ページ（1953年4月25日）に掲載されました。[ 1 ] [ 2 ]
この記事は、簡潔でありながら生物 に関する根本的な謎への答えを含んでいるため、「科学の真珠」と称されることが多い。その謎とは、遺伝情報が生物体内に保持され、世代から世代へと受け継がれる仕組みである。この記事は、 DNAの伝達は解明が難しいと考えていた当時の多くの生物学者を驚かせる、シンプルかつ洗練された解決策を提示した。この発見は生物学、特に遺伝学の分野に大きな影響を与え、後の研究者が遺伝暗号を理解する上で重要な役割を果たすことになった。
物理学と化学を生物学的問題に応用することで、分子生物学が発展しました。分子生物学は、DNAからタンパク質への生物学的情報の流れとその結果に特に関心を寄せています。DNA二重らせん構造の発見により、遺伝子はDNA分子の機能的に定義された部分であり、細胞がDNAの情報をタンパク質を構成する特定のアミノ酸に変換する方法が必要であることが明らかになりました。
ライナス・ポーリングは、生体分子の構造の理解を深める上で非常に影響力のある化学者でした。1951年、ポーリングはタンパク質の根本的に重要な構造要素であるαヘリックスの構造を発表しました。1953年初頭、ポーリングはDNAの三重らせんモデルを発表しましたが、後にそれが誤りであることが判明しました。[ 3 ]クリックと特にワトソンは、DNAの構造を発見するためにポーリングと競争していると考えていました。
マックス・デルブリュックは、量子物理学の生物学的意義の一部を認識していた物理学者でした。デルブリュックの生命の物理的基盤に関する考察は、エルヴィン・シュレーディンガーに『生命とは何か？ 』を執筆するきっかけを与えました。シュレーディンガーの著書は、クリックとワトソンに大きな影響を与えました。デルブリュックが「ファージグループ」（細菌に感染するウイルスを介して遺伝学を探求するグループ）を推進したことは、分子生物学全般の初期の発展、特にワトソンの科学的関心の発展において重要でした。[ 4 ]
クリック、ワトソン、モーリス・ウィルキンスは、 DNA二重らせん構造の発見が認められ、1962年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。
分子の構造と機能が必ずしも容易に結びつくとは限らない。DNAの構造がその機能とこれほど明白に結びついている理由については、記事の最後に控えめにこう述べられている。「我々が提唱した特定の塩基対形成が、遺伝物質の複製機構の可能性を即座に示唆していることは、我々の見過ごせない事実である」。
「特異的なペアリング」は、ヌクレオチドサブユニットのペアリングであるワトソンとクリックのDNAモデルの重要な特徴です。[ 5 ] DNAでは、グアニンの量はシトシンの量と等しく、アデニンの量はチミンの量と等しくなっています。A:TペアとC:Gペアは構造的に類似しています。特に、各塩基対の長さは同じで、2つの糖リン酸骨格の間に均等に収まります。塩基対は水素結合によって結合しており、これは簡単に切断でき、簡単に再形成できるタイプの化学的引力です。A:TペアとC:Gペアの構造的類似性に気付いた後、ワトソンとクリックはすぐに、らせんの中心にある水素結合によって2つの相補鎖をほどいて簡単に複製できる二重らせんDNAモデルを作成しました。これは、遺伝分子の可能性のあるモデルに必要な最後の重要な要件でした。
実際、塩基対形成はDNA分子を複製する方法を示唆していた。2本の糖リン酸骨格を、それぞれ水素結合したA、T、G、Cの構成要素ごと引き離せばよいのだ。そして、それぞれの鎖を鋳型として、新たな塩基対を形成する相補鎖を組み立てることができる。
ワトソンとクリックがDNAの二重らせんモデルを発表した当時、地球上の様々な生命体の特殊な機能のほとんどはタンパク質によって可能になっていることが知られていました。構造的には、タンパク質はアミノ酸サブユニットの長い鎖です。何らかの方法で、遺伝分子であるDNAには、細胞内に存在する何千ものタンパク質を作るための指示が含まれている必要がありました。DNAの二重らせんモデルから、DNA分子のヌクレオチドの直線配列とタンパク質のアミノ酸の直線配列の間には何らかの対応関係があるに違いないことが明らかになりました。DNAの配列が細胞に特定のタンパク質を作るよう指示する仕組みの詳細は、1953年から1965年の間に分子生物学者によって解明されました。フランシス・クリックは、遺伝暗号の理解を深める実験の理論と分析の両方において重要な役割を果たしました。[ 6 ]
DNA二重らせんの発見に端を発する分子生物学のその他の進歩は、最終的に遺伝子配列決定法につながった。ジェームズ・ワトソンは国立衛生研究所でヒトゲノム計画を指揮した。[ 7 ] DNAの配列決定と操作能力は、現在バイオテクノロジー産業と現代医学の中心となっている。DNA二重らせん構造の厳粛な美しさと実用的な意味合いが相まって、「核酸の分子構造; デオキシリボ核酸の構造」は20世紀で最も著名な生物学論文の1つとなった。
ワトソンとクリックは、DNAの分子モデルを成功裏に作成するために必要な、散在する情報の断片を最初にまとめたが、彼らの発見は、他のいくつかの研究所の研究者によって収集されたデータに基づいていた。たとえば、彼らは、1947年にノッティンガム大学カレッジのジョン・マッソン・ガランド、デニス・ジョーダン、および同僚によるDNAの水素結合の発見に関する発表済みの研究を利用した。 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]しかし、DNA二重らせんの発見には、キングス・カレッジ・ロンドンのロザリンド・フランクリン、ARストークス、モーリス・ウィルキンス、およびHRウィルソンの未発表の研究からのかなりの量の資料も使用された。ウィルキンス、ストークス、ウィルソン、およびフランクリンとゴスリングによる重要なデータは、ワトソンとクリックの論文と同じ号のネイチャー誌に、2つの別々の追加論文として掲載された。 [ 11 ] [ 12 ]ワトソンとクリックの論文では、キングス・カレッジの研究者による実験結果に「刺激を受けた」と認めており、同様の謝辞がウィルキンス、ストークス、ウィルソンによって次の3ページの論文で発表された。
1968年、ワトソンは、DNAの二重らせん構造の発見に関する非常に物議を醸す自伝的著作『二重らせん』を出版したが、クリックとウィルキンスのどちらからも公には受け入れられなかった。[ 13 ]さらに、エルヴィン・シャルガフも、1968年3月29日号のサイエンス誌にワトソンの著書に対するかなり「好意的でないレビュー」を掲載した。ワトソンは著書の中で、フランクリンが知らなかった情報源から、自分とクリックがフランクリンのデータの一部を入手したこと、また、フランクリンとゴスリングが1952年5月にロンドンのキングス・カレッジで得たB-DNAのX線回折パターンを彼女の許可なしに見たことなどを述べている。特に、1952年後半、フランクリンは医学研究評議会に進捗報告書を提出しており、これは当時ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所にいたマックス・ペルーツによってレビューされた。ワトソンとクリックはケンブリッジのMRC支援キャベンディッシュ研究所で研究を行っていたが、ウィルキンスとフランクリンはロンドンのキングスにあるMRC支援研究所にいた。こうしたMRCの報告書は通常広く配布されることはなかったが、クリックは1953年初頭にフランクリンの研究概要のコピーを読んだ。[ 13 ] [ 14 ]
ペルーツがフランクリンのB-DNAとA-DNA構造の結晶単位に関する報告書をクリクとワトソンの両方に渡した正当化の理由は、その報告書には、1951年11月にフランクリンがクリクとワトソンの要請を受けてキングス・カレッジでMHFウィルキンスが手配した会合でレイモンド・ゴスリングと未発表の結果について話した際に、ワトソンが以前に聞いたことのある情報が含まれていたからである。 [ 15 ]ペルーツは、その報告書は異なるMRC研究グループ間のより広範な交流を促進する取り組みの一環であり、機密情報ではなかったため、非倫理的な行為はしていないと述べた。[ 16 ]この正当化は、1951年11月の会合に出席していなかったクリクを排除することになるが、ペルーツは彼にもフランクリンのMRC報告書のデータへのアクセスを許可した。その後、クリクとワトソンは、キャベンディッシュ研究所所長のウィリアム・ローレンス・ブラッグに、フランクリンとウィルキンスのデータに基づくDNAの二重らせん分子モデルを発表する許可を求めた。
1951年11月までに、ワトソンは自ら認めているように、X線結晶学の訓練をほとんど受けておらず、そのためフランクリンがDNA分子の構造対称性について述べていることを完全には理解していなかった。[ 14 ]しかし、クリックは、原子のらせん構造のX線回折パターンを表すベッセル関数のフーリエ変換を知っていたため、フランクリンの実験結果の1つを正しく解釈し、DNAは2つのポリヌクレオチド鎖が反対方向に走る二重らせんである可能性が最も高いことを示唆した。クリックは、以前にDNAと同様のらせん対称性を持つ他の大きな分子のX線回折データに取り組んでいたため、この解釈を行う上で独自の立場にあった。一方、フランクリンは、クリックとワトソンが提案した最初の分子モデル構築アプローチを拒否した。1952年にワトソンがロンドンで彼女とウィルキンスに提示した最初のDNAモデルは、水和した荷電基がモデルの外側ではなく内側にあるという明らかに間違った構造をしていた。ワトソンは著書『二重らせん』の中でこれを明確に認めている。[ 14 ]