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ウィリアム・トーマス・アストベリーFRS（1898年2月25日 - 1961年6月4日）は、生物分子のX線回折研究の先駆者となったイギリスの物理学者および分子生物学者であった。[ 1 ]ケラチンに関する彼の研究は、ライナス・ポーリングによるαヘリックスの発見の基礎となった。彼はまた、1937年にDNAの構造を研究し、その構造の解明への第一歩を踏み出した。
アストベリーは7人兄弟の4番目として、ストーク・オン・トレントのロングトンで生まれた。父親のウィリアム・エドウィン・アストベリーは陶工で、家族を経済的に支えていた。アストベリーにはノーマンという弟がおり、彼とは音楽への愛を共有していた。
アストベリーは陶芸家になっていたかもしれないが、幸運にもロングトン高校の奨学金を得て入学し、そこで校長と副校長（いずれも化学者）から指導を受け、興味の幅を広げた。生徒会長になり、サザーランド公爵の金メダルを獲得した後、アストベリーは地元で唯一利用可能な奨学金を得て、ケンブリッジ大学ジーザス・カレッジに進学した。[ 2 ]
ケンブリッジ大学で2学期を過ごした後、第一次世界大戦中の兵役により学業は中断された。虫垂切除手術後の健康状態が悪かったため、1917年に王立陸軍医療隊の一員としてアイルランドのコークに配属された。その後、ケンブリッジ大学に戻り、物理学を専攻して最終学年を修了した。
ケンブリッジ大学を卒業後、アストベリーはウィリアム・ブラッグのもとで研究を行い、最初はユニバーシティ・カレッジ・ロンドンで、その後1923年にはロンドンの王立研究所にあるデービー・ファラデー研究所に移った。同級生には、キャスリーン・ロンズデールやJ・D・バーナルをはじめとする多くの著名な科学者がいた。アストベリーは研究に非常に熱心で、酒石酸の構造に関する論文など、『クラシック・クリスタログラフィー』誌に論文を発表した。
1928年、アストベリーはリーズ大学の繊維物理学講師に任命された。彼はその後もリーズに留まり、1937年に繊維物理学の准教授、1946年に生体分子構造の教授に任命された。彼は1961年に亡くなるまでその職を務めた。 1940年には王立協会のフェロー（FRS）に選出された。 [ 3 ]リーズには、彼の功績を称えてアストベリー構造分子生物学センターが設立されている。[ 4 ]
晩年、彼は数々の賞や名誉学位を授与された。
リーズでアストベリーは、繊維産業からの資金援助を受けて、ケラチンやコラーゲンなどの繊維状物質の特性を研究した。（羊毛はケラチンで構成されている。）これらの物質は結晶のような鮮明な斑点パターンを生成しなかったが、そのパターンは提案された構造に物理的な制約を与えた。1930年代初頭、アストベリーは、湿った羊毛や毛髪繊維を大きく（100%）引き伸ばすと、回折に劇的な変化が生じることを示した。データは、引き伸ばされていない繊維が、特徴的な繰り返し周期が5.1 Å（=0.51 nm）のコイル状の分子構造を持っていることを示唆していた。アストベリーは、（1）引き伸ばされていないタンパク質分子がらせん構造（彼がα型と呼んだもの）を形成し、（2）引き伸ばしによってらせんがほどけて、伸長した状態（彼がβ型と呼んだもの）を形成すると提唱した。アストベリーのモデルは細部においては誤りがあったものの、本質的には正しく、20年後の1951年にライナス・ポーリングとロバート・コーリーによって開発された、αヘリックスとβストランド（アストベリーの命名法はそのまま残された）という現代の二次構造の要素に対応していた。ハンス・ノイラートは、アストベリーのモデルは原子の衝突を伴うため、細部においては正しくないことを初めて示した。ノイラートの論文とアストベリーのデータは、HSテイラー（1941年、1942年）とモーリス・ハギンズ（1943年）に、現代のαヘリックスに非常に近いケラチンのモデルを提案するきっかけを与えた。
1931年、アストベリーは、主鎖間の水素結合（すなわち、主鎖アミド基間の水素結合）がタンパク質構造の安定化に寄与するという説を初めて提唱した人物でもあった。彼のこの初期の洞察は、ライナス・ポーリングをはじめとする多くの研究者によって熱心に受け入れられた。
アストベリーの研究は、ミオシン、表皮[ 5 ]、フィブリンなど多くのタンパク質のX線研究へと発展し、それらの回折パターンから、これらの物質の分子がコイル状で折り畳まれていることを推測することができました。この研究により、彼は生命システムの複雑さを理解する最良の方法は、それらを構成する巨大な高分子の形状を研究することであるという確信に至り、このアプローチを「分子生物学」として熱心に普及させました。彼のもう一つの大きな情熱はクラシック音楽で、羊毛のケラチンなどのタンパク質繊維は「自然が比類のない多くのテーマ、無数の変奏曲、和音を演奏してきた選ばれた楽器」であると述べていました[ 6 ]。 1960年、アストベリーは研究助手エルウィン・ベイトンが撮影した、モーツァルト（アストベリーのお気に入りの作曲家の一人）の髪の毛の束の中のケラチンタンパク質繊維のX線画像を発表しました。[ 7 ]
しかし、アストベリーが研究した生物学的繊維はタンパク質だけではなかった。1937年、スウェーデンのトルビョルン・カスペルソンが子牛の胸腺から採取したDNAのよく準備されたサンプルを彼に送った。DNAが回折パターンを示したという事実は、DNAにも規則的な構造があり、それを推測できる可能性があることを示唆していた。アストベリーは外部からの資金を得ることができ、結晶学者のフローレンス・ベルを雇った。彼女は「生命の始まりは明らかにタンパク質と核酸の相互作用と関連している」と認識していた。[ 8 ]ベルとアストベリーは1938年にDNAのX線研究を発表し、ヌクレオチドを「ペニーの山」と表現した。[ 9 ]
アストベリーとベルは、DNAの構造が2.7ナノメートルごとに繰り返され、塩基は0.34ナノメートルの間隔で平らに積み重なっていると報告した。[ 10 ] 1938年にコールド・スプリング・ハーバーで開催されたシンポジウムで、[ 11 ]アストベリーは、0.34ナノメートルの間隔がポリペプチド鎖のアミノ酸の間隔と同じであることを指摘した。（現在受け入れられているB型DNAの塩基間隔の値は0.332nmである。）
1946年、アストベリーはケンブリッジで開催されたシンポジウムで論文を発表し、その中で「生合成とは、分子または分子の一部を別の分子または分子の一部に適合させるという究極的な問題であり、現代における偉大な生物学的発展の一つは、おそらく最も基本的な相互作用はタンパク質と核酸の間の相互作用であるという認識である」と述べた。また、ヌクレオチド間の間隔とタンパク質中のアミノ酸間の間隔は「偶然の算術的なものではない」とも述べた。
アストベリーとベルの研究は、2つの点で重要でした。第一に、彼らはX線結晶構造解析を用いてDNAの規則的で秩序だった構造を明らかにすることができると示しました。この洞察は、後にモーリス・ウィルキンスとロザリンド・フランクリンの研究の基礎を築き、その後、1953年にフランシス・クリックとジェームズ・D・ワトソンによってDNAの構造が特定されました[ 1 ]。第二に、彼らは、ほとんどの科学者がタンパク質が遺伝情報の担体であり、DNAは構造成分として以外にはほとんど興味のない単調でつまらない分子だと考えていた時代にこの研究を行いました。1944年、アストベリーは、微生物学者オズワルド・エイブリーとロックフェラー大学の同僚マクリン・マッカーティとコリン・マクラウドの研究の重要性を認識した数少ない科学者の一人でした。エイブリーとそのチームは、核酸が肺炎球菌の病原性という性質を伝達できることを示し、DNAが遺伝物質である可能性を示す最初の強力な証拠を提供しました。[ 12 ]
アストベリーはエイブリーの研究を「現代における最も注目すべき発見の一つ」と評し[ 13 ]、第二次世界大戦後、リーズ大学に分子生物学という新しい科学分野の先駆けとなる国立センターとなる新しい学科を設立するという構想を抱いた。1945年にリーズ大学の副学長に宛てた手紙の中で、彼は「生物学は今や分子構造の段階へと移行しつつある…生物学のあらゆる分野、あらゆる大学において、このことは必ず起こるだろう。リーズ大学は大胆に先導役を務めるべきだと私は提案する」と宣言した[ 14 ] 。
残念ながら、誰もが彼の夢を共有していたわけではなかった。大学評議会は彼に新しい学科の設立を許可したが、上級生物学者たちの反対により、名称に「分子生物学」という言葉を使うことは認めなかった。上級生物学者たちは、物理学者であるアストベリーが、自分たちの正当な領域であると考える知的領域に招かれざる客として踏み込んでいると感じていたのだ。評議会は彼に研究施設も提供したが、それは彼が期待していたものとはかけ離れたものだった。彼の新しい学科は、大規模な改修が必要なビクトリア朝時代のテラスハウスにあり、床が不均一で繊細な科学機器がぐらつき、電気設備は故障し、配管も不安定で、時には浸水することもあった。さらに、医学研究評議会は彼の研究資金の申請を却下した。
こうした挫折にもかかわらず、アストベリーの新設された研究室では2つの重要な進展があった。1つ目は、アストベリーに加わるために故郷ハンガリーを逃れてきた若い博士課程学生、ラズロ・ロランドが、トロンビンがプロテアーゼとして作用し、血液凝固の主要成分である不溶性タンパク質フィブリンを、その可溶性前駆体フィブリノーゲンから形成するメカニズムを解明したことである。ロランドの研究は、血液凝固の過程に関する我々の理解を大きく前進させる発見となった。
2つ目の進展は、1951年にアストベリーの研究助手エルウィン・ベイトンが撮影したB型DNAの新しいX線写真シリーズで、科学史家のロバート・オルビー教授は後に「明らかにロザリンド・フランクリンとR・ゴスリングによって発見された有名なBパターンだ」と述べています。オルビーが言及していたのは、1年後にキングス・カレッジでロザリンド・フランクリンと彼女の博士課程の学生レイモンド・ゴスリングによって撮影されたB型DNAのX線画像で、「写真51」として知られるようになったものです。控えめな名前にもかかわらず、この画像はDNAの歴史において重要な役割を果たすことになり、ロンドンのキングス・カレッジの外壁にある銘板には「世界で最も重要な写真の1つ」と記されています。これは、画像にDNA繊維によって散乱されたX線によって作られた印象的な十字形の黒い斑点のパターンが写っているためであり、ジェームズ・ワトソンがフランクリンとゴスリングの写真を初めて見たとき、この十字形のパターンに非常に興奮し、「口が開いて脈が速くなり始めた」と言った[ 15 ]。なぜなら、らせん状に巻かれた分子だけがX線を散乱させてこの特定のパターンを生み出すことができることを知っていたからである。
フランクリンとゴスリングの「写真51」は、ワトソンとクリックにとって重要な手がかりの一つとなったが、ベイトンの非常によく似たDNAのX線画像に対するアストベリーの反応は全く異なっていた。彼はそれを学術誌に発表することも、学会で発表することもなかった。アストベリーが生物分子のX線研究における著名な専門家であったことを考えると、このような重要な手がかりを無視したことは意外に思えるかもしれない。一つの説明としては、アストベリーはDNAの重要性を認識していたものの、生物学的情報は分子内の塩基の一次元の配列ではなく、三次元構造の微妙で複雑な変化の中に存在することを理解していなかったということが挙げられる。 DNAが単純ならせん構造であるという事実は、アストベリー氏を驚かせ、心臓を高鳴らせるどころか、むしろ失望させたであろう。しかし、1952年にリーズのヘディングリーにあるアストベリー氏の自宅を訪れた際、友人であり同僚でもある著名な米国化学者でノーベル賞受賞者のライナス・ポーリング氏に、アストベリー氏がベイトン氏の画像を見せていたら、歴史はどれほど違った展開を見せていただろうかと想像するのは興味深い。当時、ポーリング氏はDNAの構造解明においてワトソンとクリックの最大のライバルであり、DNAの良質なX線回折画像を何としても手に入れたいと切望していた。1952年当時、彼はすでにアストベリー氏とベル氏の初期の研究に基づいた誤ったDNAモデルを提唱していたが、もしアストベリー氏がベイトン氏が撮影したこれらの新しい画像をポーリング氏に見せていたら、今日、二重らせん構造の発見で記憶されているのは、英国ケンブリッジではなく、カリフォルニア州パサデナのカリフォルニア工科大学だったかもしれない。この機会を逃したにもかかわらず、アストベリーはフローレンス・ベルとともに、X線結晶解析の手法を用いてDNAの規則的で秩序だった構造を明らかにできることを示し、大きな貢献を果たした。
しかし、アストベリーの最大の科学的功績は、おそらく彼が作った一風変わったオーバーコートだろう。1930年代後半、アストベリーと共同研究者のA・C・チブナル、ケネット・ベイリーは、化学処理によって、種子に含まれる可溶性タンパク質の分子鎖を折り畳み直し、不溶性の繊維にできることを示した。ICI社はこのアイデアに非常に興味を持ち、スコットランドにパイロット生産工場を建設し、モンキーナッツの主要な可溶性タンパク質成分の分子構造を意図的に改変して不溶性繊維に折り畳み直し、「アーディル」と呼ばれる新しい繊維を製造した。これは、繊維産業における原料として、羊毛の安価で豊富な代替品として利用できることを期待してのことだった。このアイデアの実現可能性を示すため、ICIはアーディルという素材でオーバーコートを製作し、アストベリーはそれを講演会などで頻繁に着用した。結局、アーディルは英国繊維産業の救世主にはならなかったものの、X線を用いてタンパク質やDNAといった巨大な生体分子の構造を解明できるだけでなく、それらの構造を意図的に操作して実用的な目的に利用できるというアストベリーの確信を力強く示すものとなった。
これは、組換えDNA技術の台頭とともに1970年代半ばから後半にかけて真に成熟したアイデアであり、その頃にはアストベリーは亡くなっていたが、彼の友人であり同僚であったJDBernalが彼の追悼文で書いたように、「彼の功績は分子生物学全体に残るだろう」。[ 16 ]
アストベリーは、その変わらぬ陽気さ、理想主義、想像力、そして熱意で知られていた。彼は分子生物学の計り知れない影響を正しく予見し、そのビジョンを学生たちに伝えた。「彼の陶酔的な伝道熱意は、実験室での日常を素晴らしい冒険に変えた」[ 17 ] 。アストベリーの熱意は、彼の研究に見られる時折の科学的慎重さの欠如を説明するかもしれない。アストベリーは、推測的な解釈をもっともらしく聞こえさせることができた。
アストベリーは優れた作家であり講演者でもあり、その作品は驚くほど明快で、気さくで自然な文体で特徴づけられている。彼は音楽も愛し、ピアノとバイオリンを演奏した。
アストベリーは第一次世界大戦中、アイルランドのコークに駐屯していた王立陸軍医療隊員時代にフランシス・グールドと出会った。二人は1922年に結婚し、息子ビルと娘モーリーンをもうけた。