מתחילת המאה העשרים היה ברור לחוקרים בתחום כי הגנים, החומר התורשתי של האורגניזמים, ממוקמים בכרומוזומים שהם מעין סבך של חלבונים וחומצות גרעין הנמצאים בגרעין התא של כל יצור חי. מבין שני המרכיבים הללו של הכרומוזומים, חומצות הגרעין והחלבונים, נטו רוב החוקרים לסבור כי דווקא החלבונים הם היכולים לשמש כנושאי המטען הגנטי, שכן רק להם מורכבות ורב-גוניות אשר יכולות, כך הייתה ההנחה, לשאת את המידע התורשתי. לעומתם, חומצות הגרעין הן מולקולות "פשוטות" יותר ואינן מורכבות כמו חלבונים. עד לתחילת שנות ה-50 התמקדו המאמצים העיקריים, אם כן, בניסיונות להבין את מבנה החלבון וכפועל יוצא מכך, להבין את אופן ההורשה של המידע הגנטי.
לינוס פאולינג, שנמנה עם החוקרים שהקדישו את מרבית חייהם המקצועיים לחקר המבנה של החלבונים, סבר רוב הזמן כמרבית עמיתיו, כי החלבון הנמצא בכרומוזום נושא, ככל הנראה, את המטען התורשתי. בשנת 1951 פרסם פאולינג יחד עם רוברט קורי, סגנו במעבדה בקליפורניה, מספר מאמרים שהיוו פריצת דרך בחקר המבנה של חלבונים. הם היו הראשונים שהצליחו לתאר את המבנה של החלבון ברמה המולקולרית. באפריל 1951 פרסמו השניים את המוטיבים המבניים המרכזיים במבנה השניוני של חלבונים - סליל אלפא ומשטח בטא. והקדימו בכך את צוות החוקרים במעבדת קוונדיש שבראשה עמד הפיזיקאי, חתן פרס נובל לפיזיקה, ויליאם לורנס בראג, חלוץ הקריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן.
ההתמקדות ב-DNA – מעבדת קוונדיש.
במעבדה זו, שבה נחקרו בשיטתיות המולקולות של גרעין התא, שהו שני חוקרים צעירים, ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק. קריק התחיל את הקריירה האקדמית שלו כפיזיקאי. ב-1949 החליט לעבור לתחום הביולוגיה המולקולרית, שנראה בעיניו כתחום מתפתח, ולנצל לשם כך את הידע שלו בפיזיקה. ווטסון הגיע לאוניברסיטת קיימברידג' בשנת 1951 כחוקר צעיר בשלב פוסט דוקטורט. אף שהיה לו תואר דוקטור בביולוגיה, הידע שלו בנושאים של ביוכימיה ופיזיקה היה מועט ביותר. ווטסון פגש באותה שנה את מוריס וילקינס, במסגרת הרצאה שווילקינס נתן בכינוס בנאפולי, שם הציג תמונות של עקיפה של קרני רנטגן של מולקולת ה-DNA, ושמע ממנו על השימוש בשיטה זו (שבאמצעותה צולמו אותן תמונות) לצורך ניתוח המבנה של מולקולת ה-DNA. הרצאה זו שימשה לווטסון כמניע להתמקד בניסיון לחקור את מבנה ה-DNA. לא היה לו כמעט מושג בתחום זה וכאשר הגיע למעבדת קוונדיש הוא חלק חדר עם קריק, שבניגוד אליו היה בעל ידע משמעותי בתחום זה ובתחומים אחרים הקשורים לכימיה ולפיזיקה.
עיקר המחקר במעבדת קוונדיש נעשה בחלבונים, אך ווטסון וקריק החליטו להתחיל ולעבוד על ניסיון לפענח את המבנה המרחבי של ה-DNA. לדעתם, וכאמור בניגוד לתפיסה שרווחה באותה תקופה, היה סיכוי גבוה שדווקא מולקולה זו נושאת את החומר התורשתי. בנו של פאולינג, פיטר, נמצא אף הוא במעבדת קוונדיש, ובדרך זו זכו ווטסון וקריק למידע שעומד להתפרסם בתחום עוד לפני הפרסום בפועל. כך יכלו לעקוב אחר ההתקדמות של פאולינג (שנמצא בקליפורניה), ולקבל מידע רב-משמעות בעבורם שישמש, כפי שנראה, גם כמניע להתקדמות בפענוח המבנה.
אחת ההחלטות הראשונות של ווטסון וקריק, שהייתה לה כנראה משמעות רבה מבחינת הגילוי, היא ההחלטה שלהם לנסות ולבנות מודל פיזי שיתאר את מבנה המולקולה, בדומה לשיטה שבה נקט פאולינג במהלך גילוי המוטיב החלבוני ה"אלפא הליקס". "המודל" שניסו לבנות, כלומר מבנה המולקולה, אמור היה לעמוד בדרישות של הקשרים שבין מרכיבי המולקולה ולהיות בעל משמעות מבחינת יכולת ההעברה של המידע הגנטי.
המחקר של פרנקלין.
לאחר תקופה קצרה של עבודה, הצליחה פרנקלין להפיק מספר תמונות טובות של עקיפה של קרני רנטגן של מולקולת ה-DNA. היא הייתה הראשונה שהבחינה בין שני סוגים או מצבים של המולקולה. למצב אחד קראה גבישי ("Crystalline") והגדירה אותו כסוג A, ואילו למצב השני קראה לח ("Wet") והגדירה כסוג B. פרנקלין ערכה צילומי רנטגן של שני הסוגים וניסתה להבין את ההבדלים ואת הקשר שביניהם. סוג A היה עבה וקצר יותר, והופיע במצב לחות נמוך. לעומתו היה סוג B ארוך ונמצא בתנאי לחות גבוהים יותר, כלומר הכיל מידה רבה יותר של מים. מן הניסיונות שפרנקלין ערכה עלה כי סוג A נמצא רק בתנאי לחות הנמוכים מ-75%, ומעל ערך זה נמצא סוג B. עוד גילתה פרנקלין כי היה מעבר של סוג A למצב של סוג B בתנאי לחות העולים על 75%.
חלק מהותי מעבודתה של פרנקלין, באותה תקופה, היה הניסיון למצוא את הקשר שבין שני הסוגים, את מהות ההבדלים שביניהם ואת התנאים שבהם סוג אחד משתנה לסוג האחר. להבחנה של פרנקלין בין שני הסוגים נודעה משמעות עצומה בחקר מבנה המולקולה, שכן מרב העבודה הקודמת בנושא לא התייחס כלל לקיומם של שני הסוגים, אף כי היה ברור שיש משמעות לשוני שביניהם בניסיון להבין את מבנה המולקולה. למעשה, כתוצאה מאי-ההבחנה בין שני הסוגים, היו חוקרים שנכשלו בהבנת המבנה בשעה שעשו שימוש בתמונות שביטאו את שני הסוגים: כאשר היו סבורים כי הם "מתבוננים" במולקולה מסוימת המופיעה בתמונות היו אלה למעשה שני מופעים שונים (מובן שהתמונות אינן של המולקולה עצמה אלא של העקיפה של קרני רנטגן המוקרנות עליה, והשימוש במונח "התבוננות" בתמונת המולקולה הוא בהקשר זה שימוש מטפורי).
מודל ראשון שגוי.
ב-21 בנובמבר 1951 התקיים סמינר בקינגס קולג' בנושא חומצות הגרעין. פרנקלין הייתה הדוברת השלישית באותו סמינר, לאחר וילקינס וסטוק. ווטסון נכח באותו סמינר ושמע את דבריה של פרנקלין (כהרגלו, באופן שהכעיס את קריק, לא ערך רישומים מההרצאה). באותה הרצאה דיברה פרנקלין, בין היתר, על ההבחנה שלה בין שני סוגי ה-DNA, על כך שיחידות הפוספט אמורות להיות בצד החיצוני ולא הפנימי וגם פירטה את כמויות המים שאמורות להימצא במולקולה בהתאמה לחלקים אחרים שלה, נתון שיש לו חשיבות רבה מבחינת יציבות המולקולה.
הניסיון הראשון של ווטסון וקריק משנת 1951 לבנות מודל של המולקולה התבסס על הדברים שווטסון שמע וזכר (אך כנראה לא הבין) מאותה הרצאה. מודל זה התבסס על ההנחה של מולקולה בעלת שלושה סלילים שקבוצת הפוספט נמצאת במרכזה, ואולם במצב זה המולקולה אינה יציבה ואמורה להתפרק בגלל המטען החשמלי שנמצא, לפי המודל, במרכז. מודל זה שגוי גם בכל הנוגע לכמות מולקולות המים, כמות שאינה מאפשרת את קיומן של האינטראקציות בין חלקי המולקולה, ולכן בסופו של דבר אינו יכול לבטא את המבנה הנכון.
פרנקלין, שהוזמנה ביחד עם וילקינס וחוקרים נוספים של קינגס קולג' לראות את המודל – פסלה אותו מידית. ברגע שראתה את המודל הבינה פרנקלין שהוא אינו מתאים לתוצאות שהוצגו על ידיה, וכי ווטסון לא הבין את דבריה בסמינר, הן באשר לכמות יחידות המים שאמורות להיות במולקולה והן באשר למיקום של יחידות הפוספט. לאחר ניסיון זה הורה להם בראג, מנהל המעבדה, להפסיק לעבוד על מבנה ה-DNA ולהתמקד בתחומים אחרים. ב-1952 נערך ניסוי הרשי-צ'ייס שהיווה תמיכה משמעותית להנחה שה-DNA הוא החומר התורשתי הנמצא בתא החי. לקראת תחילת 1953 חידשו ווטסון וקריק את הניסיונות לבנות מודל נוסף, בעיקר עקב הידיעה כי פאולינג החל לעבוד בעצמו על פענוח המבנה.
הניסיון השני של בניית המודל.
בחודש ינואר 1953 עמדו פאולינג וקורי לפרסם מאמר שכלל הצעה למבנה ה-DNA. פיטר פאולינג קיבל מאביו טיוטה של המאמר והראה אותה לחוקרים במעבדת קוונדיש ובהם ווטסון וקריק. המודל של פאולינג וקורי הוא מודל של שלושה סלילים (בדומה למודל השגוי של ווטסון וקריק מסוף שנת 1951) וגם בו יחידות הפוספט נמצאות במרכז. ווטסון וקריק הבחינו מיד כי פאולינג טעה טעות חמורה במודל ביחס למיקום חלקי המולקולה (טעות שהיא בגדר בלתי יאומן מצד מי שבעצמו ניסח את חוקי הקשרים הכימיים במולקולות), ואולם המידע שהגיע אליהם בדרך זו, כי פאולינג התחיל לעבוד באופן יסודי על מבנה ה-DNA, שימש בעבורם סוג של "קריאת השכמה": הם הבינו מיד כי הוא עלול לגלות מה שגוי במודל ועלול להצליח לתקן אותו. מסיבה זו הסכים בראג, בניגוד להוראה שנתן להם כשנה קודם לכן, כי יחזרו לעבוד על בניית המודל של מולקולת ה-DNA. בשלב זה במיוחד, לקראת בניית המודל הסופי, עשו ווטסון וקריק שימוש מהותי במידע של פרנקלין ולמעשה התבססו עליו על מנת להגיע למודל הסופי. בפברואר אותה שנה פורסם המאמר של פאולינג בכתב העת PNAS.
השימוש בנתונים של פרנקלין וההגעה למודל הנכון.
לפחות שלושה ממצאים הנובעים ישירות מעבודתה של פרנקלין, שימשו את ווטסון וקריק כדי להגיע לבניית המודל הסופי של ה-DNA. למידע זה הייתה חשיבות גדולה בגילוי המבנה שלו.