Под руководством М. Перуца Крик исследовал молекулярную структуру белков, в связи с чем у него возник интерес к генетическому коду последовательности аминокислот в белковых молекулах.
Около 20 важнейших аминокислот служат мономерными звеньями, из которых построены все белки. Изучая вопрос, определенный им как «граница между живым и неживым», Крик пытался найти химическую основу генетики, которая, как он предполагал, могла быть заложена в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК).
В 1951 году двадцатитрехлетний американский биолог Джеймс Уотсон пригласил Крика на работу в Кавендишскую лабораторию.
Джеймс Дьюи Уотсон родился 6 апреля 1928 года в Чикаго (штат Иллинойс). Он был единственным ребенком в семье бизнесмена Джеймса Д. Уотсона и Джин (Митчелл) Уотсон. В родном городе мальчик получил начальное и среднее образование. Вскоре стало очевидно, что Джеймс необыкновенно одаренный ребенок, и его пригласили на радио для участия в программе «Викторины для детей». Лишь два года проучившись в средней школе, Уотсон получил в 1943 году стипендию для обучения в экспериментальном четырехгодичном колледже при Чикагском университете, где проявил интерес к изучению орнитологии. Окончив в 1947 году университет со степенью бакалавра естественных наук, он продолжил затем образование в Индианском университете Блумингтона.
К этому времени Уотсон заинтересовался генетикой и начал обучение в Индиане под руководством специалиста в этой области Г.Д. Меллера и бактериолога С. Лурия. В 1950 году молодой ученый получил степень доктора философии за диссертацию о влиянии рентгеновских лучей на размножение бактериофагов (вирусов, инфицирующих бактерии). Субсидия Национального исследовательского общества позволила ему продолжить исследования бактериофагов в Копенгагенском университете в Дании. Там он проводил изучение биохимических свойств ДНК бактериофага. Однако, как он позднее вспоминал, эксперименты с бактериофагом стали его тяготить, ему хотелось узнать больше об истинной структуре молекул ДНК, о которых так увлеченно говорили генетики.
В 1944 году Эйвери, Мак-Леод, Мак-Карти установили важнейший факт, что наследуемая передача признаков у бактерий осуществляется ДНК. Тогда же американский биолог О. Эйвери представил доказательства, что гены состоят из ДНК. Эту гипотезу подтвердили в 1952 году А. Херши и М. Чейз. Вместе с тем было ясно, что ДНК контролирует основные биохимические процессы, происходящие в клетке, но ни структура, ни функция молекулы не были известны.
Весной 1951 года, во время пребывания на симпозиуме в Неаполе, Уотсон встретил Мориса Уилкинса, английского исследователя. Уилкинс и Розалин Франклин, его коллега по Королевскому колледжу Кембриджского университета, провели рентгеноструктурный анализ молекул ДНК. В результате они доказали, что молекулы представляют собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные привели Уотсон к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. Национальное общество по изучению детского паралича выделило субсидию.
В октябре 1951 года ученый отправился в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета для исследования пространственной структуры белков совместно с Д.К. Кендрю. Там он и познакомился с Криком, физиком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.
«Это была интеллектуальная любовь с первого взгляда, — утверждает один историк науки. — Их научные воззрения и интересы — самая важная проблема, которую надо решать, если вы биолог». Несмотря на общность интересов, взглядов на жизнь и стиль мышления, Уотсон и Крик беспощадно, хотя и вежливо, критиковали друг друга. Их роли в этом интеллектуальном дуэте были разными. «Френсис был мозгом, а я — чувством», — говорит Уотсон.
Начиная с 1952 года, основываясь на ранних исследованиях Чаргаффа, Уилкинса и Франклин, Крик и Уотсон решили попытаться определить химическую структуру ДНК.
Вспоминая об отношении к ДНК подавляющего большинства биологов тех дней, Уотсон писал: «После опытов Эйвери было похоже, что именно ДНК основной генетический материал. Таким образом, выяснение химического строения ДНК могло оказаться важным шагом к пониманию того, как воспроизводятся гены. Но в отличие от белков, относительно ДНК имелось очень мало точно установленных химических сведений. Ею занимались считанные химики, и за исключением того факта, что нуклеиновые кислоты представляют собой очень большие молекулы, построенные из меньших строительных блоков — нуклеотидов, об их химии не было известно ничего такого, за что мог бы ухватиться генетик. Более того, химики-органики, работавшие с ДНК, почти никогда не интересовались генетикой».
Американские ученые постарались свести воедино все имевшиеся до сих пор сведения о ДНК, как физико-химические, так и биологические. Как пишет В.Н. Сойфер: «Уотсон и Крик подвергли анализу данные рентгеноструктурного анализа ДНК, сопоставили их с результатами химических исследований соотношения нуклеотидов в ДНК (правила Чаргаффа) и применили к ДНК идею Л. Полинга о возможности существования спиральных полимеров, высказанную им в отношении белков. В результате они смогли предложить гипотезу о структуре ДНК, согласно которой ДНК представлялась составленной из двух полинуклеотидных нитей, соединенных водородными связями и взаимно закрученных друг относительно друга. Гипотеза Уотсона и Крика так просто объясняла большинство загадок о функционировании ДНК как генетической матрицы, что она буквально сразу была принята генетиками и в короткий срок экспериментально доказана».
Исходя из этого, Уотсон и Крик предложили следующую модель ДНК:
1. Две цепочки в структуре ДНК обвиты одна вокруг другой и образуют правозакрученную спираль.
2. Каждая цепь составлена регулярно повторяющимися остатками фосфорной кислоты и сахара дезоксирибозы. К остаткам сахара присоединены азотистые основания (по одному на каждый сахарный остаток).
3. Цепочки фиксированы друг относительно друга водородными связями, соединяющими попарно азотистые основания. В результате оказывается, что фосфорные и углеводные остатки расположены на наружной стороне спирали, а основания заключены внутри ее. Основания перпендикулярны к оси цепочек.
4. Имеется правило отбора для соединения оснований в пары. Пуриновое основание может сочетаться с пиримидиновым, и, более того, тимин может соединяться только с аденином, а гуанин — с цитозином…
5. Можно поменять местами: а) участников данной пары; б) любую пару на другую пару, и это не приведет к нарушению структуры, хотя решающим образом скажется на ее биологической активности.
«Наша структура, — писали Уотсон и Крик, — состоит, таким образом, из двух цепочек, каждая из которых является комплементарной по отношению к другой».
В феврале 1953 года Крик и Уотсон сделали сообщение о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трехмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.
Уотсон написал об открытии своему шефу Дельбрюку, а тот — Нильсу Бору: «Потрясающие вещи происходят в биологии. Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году». Стоит напомнить, что в 1911 году Резерфорд открыл атомное ядро.
Модель позволила другим исследователям отчетливо представить репликацию ДНК. Две цепи молекулы разделяются в местах водородных связей наподобие открытия застежки-молнии, после чего на каждой половине прежней молекулы ДНК происходит синтез новой. Последовательность оснований действует как матрица, или образец, для новой молекулы.
Структура ДНК, предложенная Уотсоном и Криком, отлично удовлетворяла главному критерию, выполнение которого было необходимо для молекулы, претендующей на роль хранилища наследственной информации. «Остов нашей модели в высокой степени упорядочен, и последовательность пар оснований является единственным свойством, которое может обеспечить передачу генетической информации», — писали они.
Крик и Уотсон завершили создание модели ДНК в 1953 году, а через девять лет совместно с Уилкинсом они получили Нобелевскую премию 1962 года по физиологии и медицине «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах».
А.В. Энгстрем из Каролинского института сказал на церемонии вручения премии: «Открытие пространственной молекулярной структуры… ДНК является крайне важным, т.к. намечает возможности для понимания в мельчайших деталях общих и индивидуальных особенностей всего живого». Энгстрем отметил, что «расшифровка двойной спиральной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты со специфическим парным соединением азотистых оснований открывает фантастические возможности для разгадывания деталей контроля и передачи генетической информации».
После опубликования описания модели в английском журнале «Нейче» в апреле 1953 года тандем Крика и Уотсона распался.
Через год с небольшим Уотсон был назначен старшим научным сотрудником кафедры биологии Калифорнийского технологического института в Пасадене (штат Калифорния). В 1955 году, когда он работал ассистентом профессора биологии в Гарвардском университете Кембриджа (штат Массачусетс), судьба вновь свела его с Криком, с которым он проводил совместные исследования до 1956 года. В 1958 году Уотсон был назначен адъюнкт-профессором, а в 1961 году — полным профессором.
В 1965 году Уотсон написал книгу «Молекулярная биология гена», ставшую одним из наиболее известных и популярных учебников по молекулярной биологии.
С 1968 года Уотсон — директор лаборатории молекулярной биологии в Колд-Спринг-Харборе (Лонг-Айленд). Отказавшись от должности в Гарварде в 1976 году, он посвятил себя руководству исследованиями в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Значительное место в его работе заняли нейробиология и изучение роли вирусов и ДНК в развитии рака.