Az élet légcsavarja - a huszadik század legnagyobb tudományos felfedezése
A DNS kettős spiráljának képe - amelyet az iskolai biológiai tankönyvek borítóján és a legtöbb genetikai könyv borítóján képviselnek - annyira ismerőssé vált számunkra, hogy azóta a világ által ismert dolognak tűnik. De csak 60 év telt el - ebben az évben -, mivel ez a tudományos rejtély - a DNS-molekula szerkezete - már régóta megfejtésre került, egyfajta "szent grála" a biokémiai kutatásban.
Hosszú tudományos vita, évekig tartó ötletharc előzte meg ennek a kompozíciónak a felfedezését, és a siker lépésről lépésre épült a kémia, a biológia és a fizika korábbi ismereteire, hibákon, vitákon, csalódásokon keresztül, hogy elérje, Végül az apoteózishoz: a dicsőség pillanatához, amikor Francis Crick és James Watson rájöttek, hogy az általuk elképzelt modell minden követelménynek megfelel, és a nukleinsavak szerkezetének helyes, valósághű képének tekinthető. 1953 volt.
Természetesen nem csak ők dolgoztak keményen a siker eléréséért. Ők azok, akik a saját kutatásaik által eddig megszerzett információkat, valamint a két földrész tudósai által évtizedes vizsgálatok során megszerzett adatokat ragyogó megérzéssel látták el, hogyan kombinálják ezeket az adatokat a hozza létre a megfelelő modellt.
Sokan vannak, akik anélkül, hogy feltétlenül meg akarnák ismerni a DNS szerkezetét, kémiai, biológiai és fizikai tanulmányaik révén hozzájárultak az alapvető adatok gyűjtéséhez. Voltak mások, akik még a DNS szerkezetét is megpróbálták kideríteni, és modelleket javasoltak, de kiderült, hogy tévesek. Így íródik a tudomány története.
Mindenesetre James Watson és Francis Crick mellett, akik a cambridge-i Cavendish Laboratóriumban végezték kutatásaikat, a kutatásaik révén a sikerhez leginkább Maurice Wilkins és Rosalind Franklin dolgozott, ebben az időszakban a londoni King's College-ban. Ez a négy tudós az, akinek többnyire köszönettel tartozik a biológia ezen rejtvényének megoldása. Valójában Maurice Wilkins megosztotta Crick és Watsonnal az orvostudományi és élettani Nobel-díjat, amelyet 1962-ben adtak át e felfedezésért. Rosalind Franklin, aki döntő mértékben járult hozzá a sikerhez, egyszerű és tragikus okból nem volt a nyertesek között: 1958-ban a díj előtt, mindössze 37 éves korában, rák miatt halt meg.
A DNS-szerkezet felderítésében főleg részt vevő 4 tudós közül csak James Watson él. 84 éves. Miután felfedezte a nukleinsavak szerkezetét, visszatért az Egyesült Államokba, és több intézményben dolgozott, a genetika területén végzett kutatással foglalkozott, amelyben 25 évesnél fiatalabb korában olyan ígéretes utat nyitott meg. Többek között 2 éven át vezette az Emberi Genom Projektet, ő volt a második ember, akinek a genomját teljesen szekvenálták. Ő a molekuláris genetika egyik dékánja, és nagy valószínűséggel többet foglalkozik a genetikával, mint bármely más, ezen a területen dolgozó tudós ma.
A kettős spirál felfedezésének történetének számos anekdotikus részlete (ő alkotta meg a kifejezést a DNS szerkezetének leírására) ismeretes az 1968-ban írt és kiadott könyvéből: A kettős spirál: személyes beszámoló a A DNS (szintén 1970-ben jelent meg, Az élet propellere címmel), személyes beszámoló - természetesen szubjektív, de nem kevésbé fontos - az események sorrendjéről, amely a DNS szerkezetének és annak kontextusának felfedezéséhez vezetett. A cambridge-i akadémiai élet, az ott dolgozó tudósok szakmai és személyes aggályai, valamint a DNS szerkezetének megfejtésében részt vevők közötti eszmecsere életben van, és gyakran még vicces is, bár a könyv és kritizálta a diszkriminatív akcentusokat - különösen Rosalind Franklin felé - a szexizmus kifejeződését, amely akkoriban érvényesült az angolszász egyetemi környezetben.
Francis Crick és Maurice Wilkins, mindkettő ugyanabban az 1916-ban született, 2004-ben halt meg.
A DNS (dezoxiribonukleinsav) az örökletes információk anyagi alátámasztása: a gének DNS-ből állnak. A DNS-molekula egy polinukleotid, amelyet nukleotidoknak nevezett bázikus egységek alkotnak, és mindegyik nukleotid három elemből áll:
- nitrogénes bázis, amely lehet adenin (A), citozin (C), timin (T) vagy guanin (G).
- a szénhidrát (cukor) molekulája, az úgynevezett dezoxiribóz
- egy vagy több foszfátcsoport
A nukleotidok lineáris szekvenciája - annak sorrendje, ahogyan felfűzik őket - a DNS elsődleges szerkezete. De mint minden komplex molekulának, a DNS-nek is több szintû szerkezete van. Az elsődleges szerkezet nem írja le teljes mértékben a molekula összetételét, de a szerkezet többi szintjét meg kell fejteni, hogy teljes mértékben jellemezni lehessen.
Az élő sejtben a DNS túlnyomórészt kettős szálú formában létezik (a nukleotidok két szála vagy lánca), a másodlagos struktúrát az adja, hogy a két szál kapcsolódik egymáshoz, nevezetesen a nitrogénes bázispárok közötti hidrogénkötéseken keresztül. az egyik és a másik láncon. A nitrogénbázisok egyébként sem képesek megkötni, csak bizonyos kombinációkban: az adenin mindig a timinnel (A-T), a citozin - a guaninnal (C-G) kötődik. Két szempontot tisztázott Crick és Watson a modelljükben: hány szál van a DNS-ben és hogyan kapcsolódnak egymáshoz.
A fő szempont, amelyhez a négy említett tudós hozzájárult, a DNS tercier szerkezete volt, vagyis a molekulára jellemző háromdimenziós forma. Ma már tudjuk, hogy a DNS "kettős spirál" formájában van, ahogy Watson nevezte, és a két szál bizonyos szögekben, pontos távolsággal csavarodik egymás körül, a spirális szerkezet spiráljai között. Crick és Watson híressé vált e tercier struktúra felfedezésével.
Végül a DNS kvaterner szerkezettel is rendelkezik, magasabb szintű szerveződéssel rendelkezik, amely a DNS és más molekulák kölcsönhatásaira utal, amelyek lehetővé teszik specifikus funkcióinak ellátását. A sejtben a DNS a hisztonoknak nevezett fehérjemolekulákkal társul, kompaktabb szerkezetet alkotva, amelyet kromatinnak neveznek. Ebben a formában a DNS megtalálható a sejtek magjában.
Összességében a DNS-molekula úgy néz ki, mint egy spirális csavart skála, amelynek oldalait dezoxiribóz + foszfátcsoportok alkotják, és a lépések - nitrogén bázispárokból, A-T és C-G.
Ma már tudjuk ezeket a dolgokat, de képzeljük el, hogy 60 évvel ezelőtt nem ismerték őket. Senki sem írhatta le a DNS-t az általam fentebb leírt összefoglaló formában. A DNS-molekula túl kicsi szerkezet volt ahhoz, hogy mikroszkóp alatt meg lehessen nézni, ezért mindent közvetve, bonyolult számításokkal, specifikus elemzések eredményeinek értelmezésével, gyakran cáfolt és ritkán megerősített feltételezésekkel, valamint hatalmas léptékű átültetéssel kellett levezetni. a DNS-molekula képének, ahogyan azt a tudósok elképzelték.
Azt is el kell mondani, hogy egészében a gén molekuláris szerkezete abban az időben nagyon ismeretlen volt. Ma már sokan tudják, hogy a gének nukleinsavakból állnak, de akkor ezt az elképzelést még az egész tudományos közösség sem fogadta el. Sok tudós úgy vélte, hogy a gének olyan fehérjékből állnak, amelyek képesek az önreplikációra, míg a DNS-nek csak a fehérjék szerkezeti, támogató szerepét tulajdonítják. A Crick-Watson modell erre is rávilágított, mivel érvekkel szolgált azon gondolat alátámasztására, hogy a gének nukleinsavakból állnak.
A világot megváltoztató légcsavar
A DNS szerkezetének felfedezése több alapelemen alapul, amelyek mindegyike megadta a szükséges ismeretek egy részét ahhoz, hogy végre megértsük, hogyan állt össze ez az életmolekula.
Egy ideje ismert, hogy a kémiai vizsgálatok dezoxiribózt, foszfátcsoportokat és nitrogénbázisokat tartalmaznak: timint, adenint, citozint és guanint. Azt is felfedezték, hogy bizonyos arányú arány van ezen bázisok mennyisége között: a citozin mennyisége megegyezik a guaninnal és a timinnel - az adeninnel. (Erwin Chargaff kémikus fedezte fel ezt, ezért a jelenséget Chargaff szabályainak hívják.) Hogy ez mit jelenthet, azt még nem tudni.
Másik kulcsfontosságú elem volt Maurice Wilkins és Rosalind Franklin munkája, akik évek óta tanulmányozták a különböző molekulaszerkezetekre alkalmazott röntgenkristályosítást, és az általuk készített DNS röntgendiffrakciós képei arra az ötletre vezettek, hogy spirális szerkezet lehet.
A komplex molekulák spirálszerkezetének gondolata abban az időben lebegett a levegőben; Nem sokkal ezelőtt egy híres amerikai kémikus, Linus Pauling, aki a Kaliforniai Egyetemen (Cal Tech) dolgozott, felfedezte, hogy sok fehérjének van ilyen szerkezete, az úgynevezett alfa-spirál, ami arra a feltételezésre vezetett, hogy más komplex molekulák is egy ilyen konfiguráció.
Ez volt a tudás azon szakasza, amikor Fracis Crick és James Watson a DNS szerkezetének tanulmányozása mellett döntöttek.
Ma a molekulák szerkezetére vonatkozó tanulmányokat nagyon összetett számítógépes programok segítségével végzik, amelyek hatékonyan megrajzolják a háromdimenziós molekulákat, majd minden helyzetben megcsavarják és megcsavarják őket, ezáltal nagyban segítenek megérteni konfigurációjukat. Az 1950-es években azonban ilyen nem volt. Mi, a számítógépek tudományos kutatásban való részvételéhez hozzászokva, nehezen hisszük, hogy Watson és Crick felfedezték a DNS szerkezetét úgy, hogy manuálisan összeállították a foszfátcsoportokat, dezoxiribózt, nitrogénbázisokat és a köztük lévő kötéseket képviselő huzalok és fémlemezek háromdimenziós modelljét. A lemezeket és a vezetékeket méretarányosan vágtuk, hogy megfeleljenek az atomcsoportok bizonyos méreteinek, valamint a kémiai és hidrogénkötések hosszának a DNS-szerkezetben, amint azt a kémiai adatok és a röntgendiffrakciós fényképek alapján levontuk. Napok óta Watson és Crick ilyen modelleket építenek, a lemezeket bizonyos szögekbe helyezik, gondosan mérik a távolságokat, hogy minden összeilljen. A siker előtt pedig sok csalódás érte.
Ma, amikor tudjuk, miből áll a DNS, természetesen egyszerűnek tűnik, de ne feledjük, hogy akkor még senki sem tudta, hogy néz ki az a bonyolult molekula. A gyanú szerint hélix alakú volt, de hogy hány láncból áll, azt a kezdetektől fogva nem tudták.
Egy ponton, 1951-ben a híres Linus Pauling, a Cal Tech-től (egy olyan intézménytől, amellyel a Cavendish Laboratórium versenyben volt, minden egyes tudóscsoport abban reménykedett, hogy felfedezi az első DNS-struktúrát és megkapja a siker Nobel-díját), aki azt állította, hogy felfedezte a rejtélyt: a DNS spirális szerkezetű, három szálból áll. Nehéz megmagyarázható hiba volt egy termete tudós számára - ő volt a kor legnagyobb szerkezeti vegyésze és minden idők egyik legnagyobb - és mégis megtette. (Bizonyíték arra, hogy bárki tévedhet, főleg, ha siet, mert attól tartanak, hogy mások először veszik.)
Crick és Watson rájöttek, hogy valami nincs rendben, és Rosalind Franklin és asszisztense, Raymond Gosling által készített röntgendiffrakciós fényképekre támaszkodva, különösen egy bizonyos képre, az úgynevezett "51-es fényképre", amely fontos szerepet játszik a sikerben), feltételezték, hogy ez inkább egy kétszálú spirál lenne.
Még nem volt ismert, hogy ezek a láncok hogyan vannak elrendezve a légcsavar kialakításához. Régóta gondolták, hogy a foszfát- és dezoxiribóz-csoportok húrja a hélix közepén található - akár egy gerinc -, és a nitrogénbázisok oldalirányban, egymástól eltekintve, de az erre a hipotézisre épített háromdimenziós modellek nem voltak megfelelően elrendezve. A molekuláris és kémiai kötéseknek megfelelő távolságok és szögek nem vezettek a lemezek helyes csatlakozásához.
Végül a fordított hipotézist vették figyelembe: kívülről, kívülről a dezoxiribóz-foszfátcsoportok sorai, középen pedig a nitrogénbázisok olvadtak össze, amelyek összeolvadtak egymással (még mindig nem értett módon). Rosalind Franklin érdeme, hogy ehhez ragaszkodott, végül meggyőzve Cricket és Watsont, hogy a modell, amelynek középpontja a középpontban lesz, az a helyes.
De hogyan kötődtek egymáshoz ezek a nitrogénbázisok a csigalépcső stabilizálásához?
Kezdetben Watson és Crick úgy vélte, hogy az alapok hasonló elv alapján kötődnek hasonlóval - azaz adenin adeninnel, timin timinnel stb. De megint a fémmodelljeik nem jöttek ki megfelelően, és néhány vegyésszel beszélgetve, akik segítettek nekik a számítások ellenőrzésében, Crick és Watson arra a következtetésre jutottak, hogy az alapok egy másik, a kiegészítő jelleg szabálya szerint egyesültek, ami kielégítette és Chargaff szabályai: az adenin mindig a timinhez kötődik, a citozin pedig a guaninhoz. Ennek a modellnek az volt az előnye is, hogy hihetően elmagyarázta, hogyan replikálódik a DNS - hogyan, azaz hogyan másolták a sejtek elosztása előtt, így a leánysejtek megkapták az őssejt DNS azonos másolatát.
És végül, sok utazás és számítás után, vitákkal kutatótársaimmal és keserű csalódásokkal, amikor a dolgok rossznak bizonyultak, számtalan kísérlet után háromdimenziós fémmodelleket építeni úgy, hogy minden könnyen, természetesen és hibátlanul összeálljon, Eljött az a nap - 1953. február 28-a, amelyet a "Sas" falán található emléktábla jelzett - amikor Crick és Watson beléptek a kérdéses helyre, és Crick, akit Watson könyvében rendkívül rendkívüli módon ír le beszédes és hangos nevetéssel nagy szájában azt kiabálta, hogy felfedezték az élet titkát!
Ezt követte a Cavendish Laboratórium vezetője, Sir Lawrence Bragg hivatalos bejelentése a tudományos konferencia híreiről, majd a Nature folyóiratban megjelent egy cikk, amelyet ketten írtak alá "A szerkezet a dezoxiribóz-nukleinsavhoz" - szerény cím, amely után nem is sejtette, hogy ez minden idők egyik legkívánatosabb tudományos győzelme, amelyet később a huszadik század legfontosabb tudományos felfedezésének neveztek ki.
Erre az alapra épült a molekuláris genetika, amelytől a jövőben az emberiség számtalan problémájának megoldását várjuk: éhség, betegség és mások. Jelenleg egy hét sem telik el anélkül, hogy a világ egyik laboratóriuma ne jelentené be, hogy bármit is felfedezett volna egy génről. De ez nem lett volna lehetséges a DNS szerkezetének felfedezése nélkül, amelynek génjei a polinukleotidmolekulát alkotják, és amelynek összetételében a csodás spirál az élet titka.