Scienziate che avrebbero dovuto vincere il Premio Nobel: Rosalind Franklin (1920-1958)

Rinaldo Cervellati.

La scienza e la vita di tutti i giorni non possono e non devono essere separati. La scienza, per me, fornisce una spiegazione parziale della vita, nella misura in cui si basa su fatti, esperienze e esperimenti. . . . Sono d’accordo che la fede è essenziale per il successo nella vita, ma io non accetto la vostra definizione di fede, cioè la fede nella vita dopo la morte. A mio avviso, tutto ciò che è necessario per la fede è la convinzione che, facendo del nostro meglio, ci avvicineremo al successo e che il successo nei nostri obiettivi (il miglioramento del destino dell’umanità, del presente e del futuro) meriti di essere raggiunto.

Rosalind Franklin, lettera al padre, 1940

Rosalind Elsie Franklin nasce a Londra nel 1920, seconda di cinque figli, da una famiglia benestante ebrea, di religiosa osservanza ma politicamente liberale.

Poiché a Rosalind non piacevano i giochi femminili fu considerata stravagante, i suoi ricordi di bambina sono di una lotta continua per farsi accettare. A sei anni iniziò a frequentare una scuola privata di Londra. Parlando di lei con il marito la zia disse: è paurosamente intelligente, passa tutto il suo tempo facendo aritmetica per svago e invariabilmente i suoi calcoli sono giusti [1]. Sviluppò anche un precoce interesse per lo sport, in particolare il cricket e l’hockey, in seguito si appassionò al trekking, passione che conservò per tutta la sua breve vita.

Rosalind Franklin

All’età di otto anni Rosalind si ammalò con frequenti problemi respiratori, e il medico di famiglia consigliò di mandarla in una scuola vicino al mare. Fu mandata quindi a frequentare la Lindores School per ragazze nel Sussex. La lezione che imparò là fu che era meglio ignorare dolore e malattia. A 11 anni tornò a Londra per frequentare la St. Paul Girl’s School, l’unica scuola femminile dove si insegnavano fisica e chimica. [2]

Con sei distinzioni, superò gli esami nel 1938, vincendo una borsa di studio per l’università. Suo padre le chiese di devolvere la borsa a un rifugiato meritevole di continuare gli studi. [2]

Nello stesso anno Franklin fu ammessa al Newnham College di Cambridge studiando chimica nell’ambito del Programma triennale di Scienze Naturali. Nel 1941 superò gli esami finali del Programma con onori, il che fece equiparare il suo diploma al B.A., qualificandola per un’occupazione[1].

Nell’ultimo anno di studi a Cambridge incontrò un rifugiato francese, Adrienne Weill, ex studente di Marie Curie, che ebbe una grande influenza sulla sua vita e la sua carriera e la aiutò a migliorare il suo francese parlato.

Franklin in gita trekking

Franklin ricevette anche una borsa di ricerca presso il Newnham College, iniziò quindi a lavorare nel laboratorio di chimica fisica dell’Università di Cambridge sotto la guida di Ronald Norrish. Nel suo anno di lavoro là non ebbe molto successo, soprattutto a causa dei caratteri dei due, entrambi ostinati e insofferenti delle critiche[2]. Quando, nel 1942 le fu offerto un posto di assistente ricercatore alla British Coal Utilization Research Association (BCURA), Franklin accettò rinunciando così alla borsa di ricerca.

BCURA era una recente organizzazione con meno formalità sul modo in cui condurre le ricerche. Franklin vi lavorò in modo abbastanza indipendente, una situazione adatta al suo carattere introverso. Rimase alla BCURA fino al 1947 pubblicando una serie di articoli sulla struttura fisica del carbone. Studiò la porosità del carbone utilizzando l’elio per determinare la sua densità. Scoprì il rapporto fra i restringimenti dei pori dei carboni e la permeabilità dello spazio poroso, concludendo che le sostanze vengono espulse secondo l’ordine delle dimensioni molecolari all’aumentare della temperatura. Contribuì a classificare i carboni e a prevedere accuratamente le loro prestazioni a scopo di combustibile e per la produzione di dispositivi come le maschere antigas [3, 4]. Nel 1945 l’Università di Cambridge le conferì il dottorato di ricerca in chimica. Durante la 2^a Guerra mondiale, insieme alla cugina Irene, fece parte delle volontarie della Air Raid Precautions partecipando regolarmente alle pattuglie in soccorso della popolazione durante i bombardamenti aerei.

Terminata la guerra, Rosalind chiese all’amico Adrienne Weill di aiutarla a cercare un lavoro di ricerca a Parigi.

Rosalind Franklin in laboratorio

In una conferenza nell’autunno del 1946, Weill la presentò a Marcel Mathieu, direttore del Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica (CNRS), rete di istituti comprendente la maggior parte dei laboratori di ricerca scientifica sostenuti dal governo francese. Ciò portò alla sua nomina al Laboratoire Central des Services Chimiques de l’Etat, a Parigi, con Jacques Mering[3]. Entrò a far parte del laboratorio di Mering il 14 febbraio 1947 come uno dei quindici ricercatori del gruppo. Mering era un cristallografo che decise di estendere la diffrazione a raggi X allo studio di fibre sintetiche (rayon) e di altre sostanze amorfe. Ciò presentava nuove sfide nella conduzione degli esperimenti e nell’interpretazione dei risultati. Franklin perfezionò questo metodo applicandolo anche al carbone, in particolare allo studio dei cambiamenti nella disposizione degli atomi quando viene convertito in grafite. Pubblicò molti altri lavori su questi aspetti che sono diventati dei classici della chimica fisica del carbone [4].

Sebbene fosse contenta del suo lavoro a Parigi e dello stile francese in generale, Franklin cominciò nel 1950 a cercare un posto da ricercatore in Inghilterra, ottenendo una borsa triennale come ricercatore associato al King’s College di Londra. Cominciò a lavorare nel gennaio 1951 nell’Unità di Biofisica del Medical Council al King’s, diretta da John Randall[4]. Inizialmente la borsa avrebbe dovuto essere utilizzata per ricerche sulla diffrazione a raggi X di proteine e lipidi ma Randall reindirizzò il lavoro alle fibre del DNA a causa di nuovi sviluppi in questo settore, e al fatto che Franklin era in quel momento l’unica esperta sperimentatrice in diffrattometria al King’s. Randall fece questa riassegnazione, prima dell’inizio del lavoro di Franklin al King’s, senza tener conto del lavoro pionieristico di Maurice Wilkins[5] e Raymond Gosling[6], rispettivamente ricercatore e studente di dottorato del King’s. Essi, pur utilizzando attrezzature grezze, avevano ottenuto nel maggio 1950 una chiara immagine di diffrazione del DNA che provocò ulteriore interesse per questa molecola. Randall tuttavia non li aveva informati della richiesta a Franklin di assumere sia il lavoro di diffrattometria del DNA che la guida della tesi di Gosling. La mancanza di comunicazione di Randall su questa decisione contribuì in modo significativo all’attrito che si sviluppò tra Wilkins e Franklin.

Franklin, in collaborazione con Gosling, iniziò ad applicare la sua esperienza nelle tecniche di diffrazione dei raggi X alla struttura del DNA. Usò un nuovo tubo a raggi X a regolazione fine del fuoco e microcamera ordinato da Wilkins, ma perfezionato da lei per migliorarne ulteriormente le prestazioni. Attraverso le sue conoscenze di chimica fisica, trattò opportunamente i suoi campioni di DNA. Quando Wilkins chiese di questa tecnica migliorata, lei rispose in termini che offesero Wilkins in quanto mostrò “un’aria di fredda superiorità”. Nonostante quest’atmosfera pesante, Franklin e Gosling scoprirono che esistevano due forme di DNA: ad alta umidità, le fibre di DNA se bagnate diventavano lunghe e sottili (struttura paracristallina); essiccate diventavano corte e spesse (struttura cristallina). Franklin chiamò forma B e A le due forme rispettivamente. I campioni potevano interconvertirsi da una forma all’altra variando il livello di umidità.

A causa del forte conflitto di personalità sviluppatosi tra Franklin e Wilkins, Randall suddivise il lavoro sul DNA in due ricerche. Franklin scelse la forma cristallina “A” mentre Wilkins scelse la forma “B” perché da alcune sue immagini preliminari sembrava avere una struttura a elica. Le immagini di diffrazione dei raggi X, tra cui la “foto 51”, scattata da Franklin, sono considerate una pietra miliare nella delucidazione della struttura del DNA.

La “foto 51” di Rosalind Franklin

Sulla struttura a elica Wilkins e Franklin ebbero animate discussioni. Nel gennaio 1953 Franklin, risolte alcune incongruenze fra i dati sperimentali, concluse che entrambe le forme del DNA avevano due eliche. Iniziò quindi a scrivere una serie di tre articoli, in due dei quali la struttura della forma A del DNA era descritta come una struttura a doppia elica dorsale. Questi due manoscritti sul DNA-A giunsero alla rivista Acta Crystallographica il 6 marzo 1953 e pubblicati nel fascicolo di settembre [6,7].

Sulla struttura del DNA stavano lavorando anche l’americano James Dewey Watson e il britannico Francis Henry Compton Crick al Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge, diretto da Lawrence Bragg[7]. Sembra accertato che durante una visita di Watson al King’s, Wilkins gli mostrò le foto di Franklin, (ovviamente a sua insaputa), foto sottratte dallo studio della scienziata da Gosling che riteneva corretto informare Wilkins in qualità di vice-direttore della ricerca. Watson capì immediatamente l’importanza di quelle immagini (in particolare la 51) e, tornato a Cambridge, si mise al lavoro insieme a Crick per elaborare un modello strutturale del DNA. Pubblicarono il loro modello a doppia elica sul fascicolo di Nature del 25 aprile 1953 [8].

Secondo B. Maddox [1] e a parere di altri biografi, Franklin scrisse i due articoli prima di essere a conoscenza del modello di Watson e Crick, questo perché, sostiene Maddox, quando ne venne a conoscenza aggiunse una nota alle bozze del suo secondo articolo per Acta Cristallographica:

Nota aggiunta alle bozze, 8 luglio 1953. Mentre questo articolo era in corso di stampa, Watson & Crick (1953) hanno proposto una struttura elicoidale a due catene per l’acido nucleico. Il loro modello potrebbe essere riferito alla nostra struttura B, in cui le molecole sono protette da una guaina d’acqua dall’influenza distorta delle molecole vicine, piuttosto che alla struttura A. Tuttavia, poiché la trasformazione A⇌B è facilmente reversibile, se esiste una molecola a doppia catena elicoidale nella struttura B, essa deve persistere anche nella struttura A sebbene le dimensioni dell’elica possano essere alterate. Abbiamo mostrato (Franklin & Gosling 1953-2,3) che gli aspetti generali del modello di Watson & Crick paiono coerenti con i nostri risultati sebbene talune discrepanze fra le intensità equatoriali misurate e quelle calcolate per la struttura B, e fra i valori osservati e calcolati di densità, non ci permettano di accettarlo in tutti i dettagli. [7]

In realtà Franklin poteva anche non conoscere i dettagli del modello, ma sicuramente conosceva le intenzioni del gruppo di Cambridge, infatti si affrettò a spedire una comunicazione sulla struttura del DNA-B a Nature che la pubblicò nello stesso fascicolo del 25 aprile [9]. Questa nota viene posta in coda a quella di Watson e Crick e preceduta da una nota di Wilkins [10].

In un successivo fascicolo di Nature (25 luglio), comparve un secondo articolo riguardante l’evidenza di una struttura a doppia elica nel DNA-A [11]. I riferimenti [9] e [11] sono quelli citati nella nota aggiunta alle bozze dell’articolo poi pubblicato in settembre su Acta Cristallographica. Vale la pena notare che in questi articoli i protagonisti si ringraziano reciprocamente per gli scambi di idee e le discussioni, sebbene Watson e Crick si limitino ad affermare che erano stati stimolati dalla conoscenza… dei risultati sperimentali e dalle idee non pubblicate dei Dr. E.H.F. Wilkins, E.R. Franklin e dei loro collaboratori.[8] Non pubblicate? (N.d.R.)

Vale anche la pena ricordare che Nature è una rivista a cadenza più che settimanale (contando anche i supplementi) che in generale pubblica rapidamente brevi comunicazioni preliminari su ricerche originali riguardanti argomenti “di frontiera”, quindi molto ambita; Acta Cristallografica è una rivista mensile di un settore specifico di ricerca che pubblica articoli molto dettagliati sia nella parte sperimentale sia in quella interpretativa, ovviamente con tempi più lunghi. Se però si osservano bene tutte le date, si nota che gli articoli dettagliati di Franklin e Gosling sono stati ricevuti da Acta Cristallografica il 6 marzo 1953 mentre la nota di Watson e Crick fu spedita o ricevuta da Nature il 2 aprile 1953…

Maddox [1] afferma che l’ordine dei tre lavori pubblicati su Nature nell’aprile 1953 fu stabilito in seguito a un accordo fra i direttori dei due laboratori, Bragg e Randall rispettivamente, escludendo i dati sperimentali di Franklin, Gosling e Wilkins apparentemente solo a sostegno del modello teorico di Crick e Watson per la forma B del DNA.

Il terzo manoscritto di Franklin, datato 17 marzo 1953 riguardante la forma B del DNA, fu scoperto anni dopo nei documenti di Franklin, dal collega Aaron Klug del Birkbeck College, dove Franklin si era trasferita. Klug [12] pubblicò in seguito una valutazione sulla stretta correlazione fra i tre articoli comparsi su Nature nel 1953, al fine di evidenziare il significativo contributo di Franklin all’elucidazione della struttura del DNA. Scrisse quest’articolo come risposta all’immagine distorta del lavoro di Franklin descritta nel libro di Watson, The Double Helix, nel 1968 [13][8].

Franklin lasciò il King’s College di Londra a metà marzo 1953 per il Birkbeck College, Università di Londra, con una mossa che era stata pianificata da tempo e che descrisse (in una lettera ad Adrienne Weill a Parigi) come: trasferimento da un palazzo a una casa popolare … ma piacevole lo stesso. Fu chiamata dal Preside del Dipartimento di Fisica, J.D. Bernal[9], un brillante cristallografo irlandese politicamente comunista, noto per la promozione delle donne cristallografe. Franklin lavorò come scienziato senior con un suo gruppo di ricerca finanziato dal Consiglio per la Ricerca Agraria (ARC). Nonostante il suggerimento di Bernal di abbandonare l’interesse per gli acidi nucleici, Franklin aiutò Gosling a finire la sua tesi, sebbene non fosse più il suo supervisore ufficiale. Come già ricordato essi pubblicarono un lavoro su Nature nel numero di luglio 1953 [11]

Continuò inoltre a esplorare un altro importante acido nucleico, l’RNA, una molecola altrettanto centrale per la vita quanto il DNA. Al Birkbeck, Franklin usò la diffrattometria a raggi X per studiare la struttura a mosaico del virus del tabacco (TMV). Iniziò una lunga e fruttuosa collaborazione con Aaron Klug. Nel 1955 Franklin pubblicò i suoi primi importanti lavori sul TMV, in cui descriveva che le particelle del virus TMV avevano tutte la stessa lunghezza. Ciò era in contraddizione con le idee dell’eminente virologo Norman Pirie, anche se alla fine le osservazioni di Franklin si dimostrarono corrette.

Micrografia del TMV

Franklin assegnò lo studio della struttura completa del TMV al suo studente di dottorato Kenneth Holmes. Scoprirono presto che il mantello del TMV era costituito da molecole proteiche disposte a elica. Il suo collega Klug lavorò a virus sferici con il suo allievo John Finch, con Franklin come coordinatrice e supervisore di tutte le ricerche. Come squadra, dal 1956 iniziarono a pubblicare importanti articoli sul TMV, sul virus del cetriolo e sul virus del mosaico giallo della rapa.

Nel 1957 esaurì la sua borsa di ricerca, ma l’ARC la prorogò di un anno. Nel frattempo presentò un progetto di ricerca al National Institute of Health degli Stati Uniti, che lo approvò con un finanziamento di 10.000 sterline per tre anni, il più grande fondo mai ricevuto al Birkbeck College.

Nel 1957 Franklin fu invitata dall’Expo 1958 di Bruxelles, la prima esposizione internazionale dalla fine della 2^a guerra mondiale, a presentare un modello del TMV alto più di 1,5 metri. Il modello fu realizzato con palline da tennis e manubri da bicicletta e presentato al Padiglione Internazionale delle Scienze il 17 aprile 1958, un giorno dopo la sua morte.

Già all’inizio del 1956 Franklin aveva problemi di salute, le fu infine diagnosticato un cancro all’addome. Alternò periodi di ospedalizzazione e di convalescenza continuando a lavorare fino alla fine. La continua esposizione ai raggi X con scarsa o nulla protezione fu ipotizzata come una delle cause della malattia.

Klug e gli altri membri del suo gruppo di ricerca le furono sempre accanto (Klug fu scelto come uno dei suoi esecutori testamentari), successivamente, nel 1962 si trasferirono al Laboratorio di Biologia Molecolare di Cambridge.

Franklin non fu mai nominata per un premio Nobel, sebbene il suo lavoro sia stato una parte cruciale nella scoperta del DNA. Durante la sua vita la struttura del DNA non era considerata pienamente provata. Wilkins e i suoi colleghi impiegarono circa sette anni per raccogliere dati sufficienti a dimostrare la realtà della struttura del DNA proposta. Inoltre, il suo ruolo biologico, come proposto da Watson e Crick, non era stato accettato. Il riconoscimento unanime della doppia elica del DNA e la sua funzione di replicazione avvenne solo alla fine degli anni 50. Nel 1962 il premio Nobel fu assegnato a Crick, Watson e Wilkins. La motivazione del premio non fu esclusivamente per la scoperta della struttura del DNA, ma per tutto l’insieme del loro lavoro sugli acidi nucleici. Al momento del premio, Wilkins aveva lavorato sulla struttura del DNA per più di 10 anni e aveva fatto molto per confermare il modello Watson-Crick. Crick aveva lavorato al codice genetico di Cambridge e Watson aveva lavorato sul RNA per alcuni anni. Franklin era deceduta e le regole del premio Nobel proibiscono le assegnazioni postume o la divisione del Premio fra più di tre persone.

Al collega e amico Aaron Klug fu assegnato il premio Nobel per la chimica nel 1982, “per il suo sviluppo della microscopia elettronica cristallografica e la sua elucidazione strutturale della proteina acido nucleica complessa”, che era esattamente quello che Franklin aveva iniziato e poi proseguito insieme a Klug. Secondo Maddox [1] è altamente plausibile che, se fosse stata viva, avrebbe condiviso il premio Nobel con Klug. Sono pienamente d’accordo con questa ipotesi ma ritengo comunque che Franklin fosse meritevole del Nobel per la chimica già nel 1956 o nel 1957 quando era ancora in vita.

Bibliografia

[1] B. Maddox, Rosalind Franklin. The dark lady of DNA, 1^st Ed., Harper Collins, New York, 2002.

[2] D. Berger, A Biography of the Dark Lady of Notting Hill, United Sinagogue Women,

https://www.theus.org.uk/printpdf/article/biography-dark-lady-notting-hill

1. anche: The Rosalind Franklin Papers. Biogaphical information

https://profiles.nlm.nih.gov/ps/retrieve/Narrative/KR/p-nid/183

[3] The Rosalind Franklin Papers. The Holes in coal: Research at BCURA and in Paris, 1942-1951

https://profiles.nlm.nih.gov/ps/retrieve/Narrative/KR/p-nid/186

[4] P.J.F. Harris, Rosalind Franklin’s work on coal, carbon, and graphite Interdisciplinary Science Reviews, 2001, 26, 204-209.

[5] The Rosalind Franklin Papers. The DNA Riddle: King’s College, London, 1951-1953

https://profiles.nlm.nih.gov/ps/retrieve/Narrative/KR/p-nid/187

[6] R.E. Franklin, R.G. Gosling, The Structure of Sodium Thymonucleate Fibres. I. The Influence of Water Content, Acta Cryst., 1953, 6, 673-677.

[7] R.E. Franklin, R.G. Gosling, The Structure of Sodium Thymonucleate Fibres. II. The Cylindrically Symmetrical Patterson Function, Acta Cryst., 1953, 6, 678-685.

[8] J.D. Watson, F.H.C. Crick, Molecular Structure of Nucleic Acids, Nature, 1953, 171, 737-738.

[9] R.E. Franklin, R.G. Gosling, Molecular configuration in Sodium Thymonucleate, Nature, 1953, 171, 740-741.

[10] M.H.F. Wilkins, A.R. Stokes, H.R. Wilson, Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids, Nature, 1953, 171, 738-740.

[11] R.E. Franklin, R.G. Gosling, Evidence for 2-Chain Helix in Cristalline Structure of Sodium Deoxyribonucleate, Nature, 1953, 172, 156-157.

[12] A. Klug, Rosalind Franklin and the Discovery of the Structure of DNA, Nature, 1968, 219, 808-810; A. Klug, Rosalind Franklin and the double helix, Nature, 1974, 248, 787-788.

[13] J.D. Watson, The Double Helix, Atheneum Press (Simon & Schuster, Inc.), New York, 1968

[14] The Rosalind Franklin Papers. Envisioning Viruses: Birkbeck College, London, 1953-1958

https://profiles.nlm.nih.gov/ps/retrieve/Narrative/KR/p-nid/188

[1] L’Università di Cambridge iniziò l’assegnazione dei titoli B.A. (Bachelor of Arts) e M.A. (Master of Arts) alle donne solo dal 1947.

[2] Ronald Norrish (1897-1978) chimico britannico noto per le sue importanti ricerche in cinetica e fotochimica, ottenne il Premio Nobel nel 1967 (insieme a Manfred Eigen e George Porter) per i loro studi sulla cinetica delle reazioni estremamente veloci. I sui biografi lo descrivono come “ostinato e quasi perverso in argomentazioni, prepotente e sensibile alla critica”.

[3] Jacques Mering (1904-1973) russo naturalizzato francese, ingegnere noto per i suoi studi di cristallografia e mineralogia, è ricordato soprattutto per avere indirizzato Rosalind Franklin alla diffrattometria a raggi X.

[4] Sir John Turton Randall (1905-1984) fisico e biofisico britannico apportò sostanziali miglioramenti al magnetron, componente essenziale del radar centimetrico, una delle chiavi di volta della vittoria britannica nella Battaglia d’Inghilterra nella seconda guerra mondiale. Direttore del Dipartimento di Fisica del King’s College passò poi a dirigere l’Unità di Ricerca Biofisica sempre al King’s. Durante la sua direzione il lavoro sperimentale portò alla scoperta della struttura del DNA.

[5] Maurice Hugh Friedrich Wilkins (1916-2004) fisico e biologo molecolare neozelandese naturalizzato britannico, ha dato importanti contributi nello studio della fosforescenza, separazione isotopica, microscopia ottica e diffrattometria X, è noto per le sue ricerche sulla struttura del DNA che gli valsero il Premio Nobel 1962 per la medicina, insieme a Watson e Crick.

[6] Raymond George Gosling (1926-2015) fisico britannico, intraprese i suoi studi di dottorato prima con Maurice Wilkins con il quale ottenne le prime immagini chiare di filamenti idratati di DNA. Proseguì poi il lavoro con Rosalind Franklin collaborando all’ottenimento della famosa “fotografia 51”, immagine di diffrazione ai raggi X della struttura del DNA-B. È stato coautore di uno dei tre articoli comparsi su Nature il 25 aprile 1953. Ottenne il dottorato nel 1954. Docente al Queen’s College dell’Università di St. Andrews.

[7] Sir William Lawrence Bragg (1890-1971) fisico australiano-britannico, enunciò nel 1912 la legge di Bragg sulla diffrazione dei raggi X, fondamentale per l’interpretazione della struttura dei cristalli. Insieme al padre, William Henry Bragg, ottenne il Premio Nobel per la Fisica nel 1915 per i loro importanti contributi nell’analisi della struttura cristallina per mezzo dei raggi X.

[8] Questa autobiografia di Watson fu aspramente criticata dai più importanti biografi di Franklin. Burton Feldman scrisse: “Il libro si basa pesantemente sulle personalità, alcune delle quali, come quella di Rosalind Franklin, sono trattate in modo fumettistico”.

[9] John Desmond Bernal (1901-1971) fisico di origine irlandese è stato un pioniere nell’impiego della cristallografia a raggi X in biologia molecolare, inoltre si è interessato attivamente di Storia della Scienza con all’attivo una serie di articoli e libri. Sostenitore del comunismo ha scritto diverse opere su scienza e società https://www.marxists.org/archive/bernal