Az új korszak
1953: Sztálin meghal Moszkvában, Edmund Hillary és Tenzing Norgay megmászják az Everest-hegyet, II. Erzsébetet koronázzák meg, az NDK júniusi felkelését véresen elnyomják, Németországban megjelenik a „Playboy” első kiadása. Eközben James Watson amerikai biológus és Francis Crick brit fizikus DNS-modelleket bütyköl az Egyesült Királyságban található hangulatos Cambridge-ben, a nyilvánosság észrevétele nélkül. Crick februárban hangosan jelentette be helyi kocsmájában, az Eagle-ben, hogy kiderült minden élet titka: a DNS, a genetikai anyag hordozója kettős, az óramutató járásával megegyező irányú spirál, kettős spirál. A két kutató elindította a molekuláris biológia rendkívül sikeres korszakát, amelynek utolsó csúcspontját Bill Clinton és Tony Blair a genomkutatókkal együtt három évvel ezelőtt nyilvánosan ünnepelte: az emberi genom hárommilliárd biokémiai betűjének megfejtését.
A múlt század közepén már az volt a vélemény, hogy a gének azok az elemek, amelyek az élet örökölhető tulajdonságait hordozzák. De különben „feneketlen tudatlanság” volt, ahogy Hermann Joseph Muller genetikus írta 1950-ben. Mi az a gén, miből áll? Bizonyíték volt arra, hogy a gének a kromoszómákban helyezkednek el. A kromoszómák DNS-ből és fehérjékből állnak. Eleinte a legtöbb biológus és biokémikus rossz helyen kereste a géneket: a fehérjék változatosságában. Mivel nem tudták megmagyarázni, hogy egy olyan egyszerű molekula, mint a DNS - amely csak foszfátból, a cukor-dezoxiribózból és a négy bázis adeninből, citozinból, guaninból és timinből áll - rejti magában az öröklődés nagy titkát, az élet sokszínűségének alapját kellene.
Ennek alapján Watson és Crick kifejlesztett egy struktúrát, amely minden ismert adatnak ellentmondás nélkül megfelelt: Kétmilliomod milliméter átmérőjű jobb oldali kettős spirál, belső bázisok és külső foszfát-cukor lánc. Sokáig a tudósok csak közvetett módon tudták bizonyítani a kettős spirált. Csak akkor, amikor lehetővé vált rövid DNS-darabok szintetizálása és kristályosítása bármilyen kívánt bázissorrenddel, és e kristályok röntgenszerkezeti elemzésének elvégzésével, az 1980-as évek elején - több mint negyedszázaddal az első modell után - találtak megdönthetetlen bizonyítékot a kettős spirálra.
A kettős spirál kiemelkedő tulajdonsága az alapjaik párosításában rejlik. Az adenin és a timin, valamint a citozin és a guanin egymással szemben helyezkednek el, és hidrogénatomokon keresztül tartják a helyüket. Ha a spirál két szála el van választva, akkor az adott szál alapjai megmutatják, hogy nézzen ki a kettős spirál ellentétes szála. Csak ez az elv, miszerint minden DNS-szál partnerszálának negatív formája, lehetővé teszi a szerkezet lemásolását anélkül, hogy megsemmisülne vagy információ elveszne. Watson és Crick már felismerték ezt. "Nem kerülte el figyelmünket, hogy az általunk feltételezett sajátos párosítás magában foglalja a genetikai anyag másolásának lehetséges mechanizmusát" - írták - a tudománytörténet vitathatatlanul legnagyobb brit stílusú alábecsülése.
A két kutató azonban nem tudta bizonyítani a másolási mechanizmust. Ezt Matthew Meselson és Franklin Stahl számára tartották fenn „legszebb biológiai kísérletükkel”, ahogy a tavalyi Nobel-díjas Sydney Brenner kommentálta. 1957-ben a két biológus bebizonyította, hogy a kettős spirál cipzárként nyílik a replikáció során. A két DNS-szál mind érintetlen marad, és templátként szolgál egy új, komplementer DNS-szál szintéziséhez. Ez két kettős spirált hoz létre, amelyek mindegyike egy régi és egy újonnan előállított DNS-szálból áll. Amikor a sejtek osztódnak, minden leánysejt kap egy ilyen vegyes kettős spirált, és nincs, amint az várható volt, egy teljesen új DNS kettős spirál a leánysejtben és egy régi molekula az anyasejtben.
Ma nehéz elképzelni, hogy a kutatók sokáig kételkedtek a természet ezen ötletes találmányában. És ez csak azért van, mert nem tudták megmagyarázni, hogy a kettős spirál hogyan tud kikapcsolódni a duplázási folyamathoz - ez egy olyan eredmény, amelyet különböző fehérjék egész csoportja ér el, amint azt a kutatók később felfedezték. 1953 után a molekuláris biológia gyors ütemben indult el. Először a kutatók megkérdezték maguktól, hogyan lehet a sejtmag DNS-ében tárolt információt fehérjévé alakítani - a sejtmagon kívül zajló folyamat. És arra voltak kíváncsiak, hogyan lehet kódolni a fehérjék építőköveit, az aminosavakat a DNS bázissorrendjében. Ezenkívül: Hogyan kell kinéznie a fehérjék - a gének - építési utasításainak, hol kezdődjenek, hol legyenek a végük? A gének átfedésben vannak-e, vagy egymás után vannak-e tárolva a DNS-ben? Kérdés kérdés után - és mégis szinte mindegyiket megoldották a molekuláris biológia kevesebb, mint tíz éve. A kutatók azonosították
• A messenger RNS, a DNS-terv, amely a sejtmagból a sejtfolyadékba vándorol és építési útmutatóként szolgál a fehérjeszintézishez,
• a tRNS (transzfer RNS), amely ellátja a fehérje termeléséhez szükséges aminosavakat és
George Gamow orosz fizikus már 1954-ben feltételezte, hogy a DNS-nek rendelkeznie kell kóddal. Francis Crick-kel együtt kifejlesztette azt az elképzelést, hogy három-három bázis kombinációja egy aminosavat képviselhet. Tehát 43, vagyis 64 különböző három kombinációja, az úgynevezett kodonok voltak lehetségesek. Végül 1965-ben ismerték az összes kodon jelentését. Nincs felhasználatlan:
• 60 kodon programoz aminosavakat, egyes aminosavakat több kodon kódol, másokat csak egy.
• A fennmaradó 4 kodon kezdő és három stop jelnek bizonyult, amelyek egy gén kezdetét és végét jelzik.
Új adataik alapján a tudósok hamarosan megfogalmaztak egy tézist, amely a mai napig a „genetika központi dogmája” a tankönyvekben: „Egy gén egy messenger RNS-t, a messenger RNS pedig egy fehérjét alkot.” De ez az elképzelés igaz volt túl könnyű, mint az évek során kiderült. A kutatók számos érdekességet találtak, különösen a magasabb rendű organizmusok genomjaiban:
• a genomban ugráló gének, • sokszor megismétlődő gének és
• Azok a gének, amelyek kódoló részeit - a kutatók exonoknak nevezik - többször megszakítják nem kódoló szekvenciák - az intronok. Bár a teljes génszekvencia elejétől a végéig messenger RNS-t termel, az intronokat kivágják belőle.
A tudósoknak még hosszú utat kellett megtenniük, mire rátértek ezekre a megállapításokra, amelyek az 1960-as évek végén kezdődtek, amikor a svájci Werner Arber felfedezte a restrikciós enzimeket. Ezek az enzimek úgy működnek, mint a DNS molekuláris ollók. Felismerik a DNS bizonyos szekvenciáit, és ezen a ponton felosztják őket. Ezeknek az enzimeknek a segítségével célzottan lehetett kivágni a DNS-t, újrakombinálni, beilleszteni a baktériumokba és megnézni, hogyan reagálnak rá a mikrobák. A szervezetek tulajdonságai manipulálhatóvá váltak, lehetővé vált a géntechnológia.
Az elmúlt 20 évben hihetetlen dolog történt a DNS-kutatás révén: A tudósok nemcsak megtanultak genetikailag módosított baktériumokat gyártani, hanem új növényeket és állatokat is létrehoztak módosított génekkel. Ezek az organizmusok segítettek megoldani a biológiai és orvosi rejtvényeket, és jelentős gazdasági tényezővé váltak. 1976-ban a Genentech lett az első olyan vállalat, amely a géntechnológiából élt meg - ma már több ezer ilyen vállalat létezik. A Genentech már 1977-ben arról számolt be, hogy az első emberi fehérje ott termelődik baktériumokban: a szomatosztatin, a növekedési hormonokat gátló fehérje. Megkezdődött az ipari géntechnológia kora. Ma a géntechnológiával módosított emberi inzulin naponta több százezer cukorbetegnek segít. A géntechnológia a mezőgazdaságba is bejutott. Bár a vita arról, hogy a géntechnológiával módosított növények ökológiailag ártalmatlanok-e, még mindig intenzív, és Európában korlátozó törvények korlátozzák az ilyen növények és az azokból nyert élelmiszerek kereskedelmét, a géntechnológiával módosított kukorica, szója és repce növények nőnek az amerikai kontinensen Millió hektár szántó.
Végül az 1990-es évek voltak az új technológiák, az automatizálás, a genomkutatás és az orvosi molekuláris biológia kifejlesztésének ideje. Az örökletes betegségeket okozó génekről, vagy olyan közönséges betegségekről, mint például a cukorbetegség, a magas vérnyomás vagy az elhízás, egyenesen inflációs jelentőségűek voltak a jelentések. Eddig ezeket az ismereteket elsősorban jobb diagnosztikai módszerekhez használták fel, például örökletes betegségek kimutatására. Új terápiák várhatók a következő évtizedekben.
Bő tíz évvel ezelőtt még mindig könnyű volt több doktori tételt kitölteni egyetlen gén izolálásával, szekvenálásával és funkcionális elemzésével. Ma a biochipekkel nemcsak egy gén, hanem több ezer gén működését is tesztelni lehet egy kísérlet során. A mikrobák teljes genomjának szekvenálása pedig csak néhány napot vesz igénybe az automatizált rendszereknek és az új szoftvereknek köszönhetően. Igaz, hogy a genomszekvenciák nem közvetlenül értik, hogy egy organizmus hogyan fejlődik vagy hogyan működik. De ennek ismerete még mindig nagyon hasznos. A rokon organizmusok szekvenciáinak összehasonlításakor kiderült például, hogy az evolúció menete leolvasható belőlük.
A DNS rokoni archívum: A genetikai információk hasonlóságai és különbségei nemcsak két egyed rokonságát tükrözik, hanem a különböző fajok rokonságát is. Már 1949-ben Max Delbrück genetikai kutató óriási előrelátással jósolta: "Minden élő sejt magán viseli azokat a kísérleti tapasztalatokat, amelyeket ősei egymilliárd év alatt végeztek."
A „DNS-számítás”, ahogy a mai német nyelven nevezik, bonyolult, és a DNS-számoló gépek kifejlesztése előtt még mindig rengeteg munkát kell elvégezni. De még az olyan elemi biológiai folyamatokat sem, mint a DNS replikációja és a fehérjeszintézis szabályozása, még nem vizsgálták teljes mértékben. Még a kromoszómáink felépítése is titkokat rejt.
Ötven évvel felfedezése után a kettős spirál továbbra is a közvélemény figyelmének középpontjában áll. Míg számtalan kalandor szaladgált a föld legmagasabb hegyén, már nem háborodnak fel a Playboy miatt, és ritkán emlékeznek Sztálinra vagy Churchillre, a kettős spirál jobban jelen van, mint valaha. Nemcsak a tudományban, hanem a művészetben és az üzleti életben, sőt a politikában is - legalábbis Nagy-Britanniában és az USA-ban.
A német politikusok azonban nem ünneplik a DNS-évfordulót. Hans Lehrach nem lepődik meg: "A német kutatók megfejtették az emberi genom egy részét, de amikor Clinton és Blair nyilvánosan bejelentette ennek a nemzetközi közös erőfeszítésnek az eredményét, a német kancellár sem volt ott."
• Ötven évvel ezelőtt az angliai Cambridge-ben Francis Crick, James Watson, Rosalind Franklin és Maurice Wilkins fedezték fel, hogy néz ki a DNS, a világ legnagyobb molekulája.
• A DNS kettős spirál elmélete kezdetben ellentmondásos volt, de hamarosan sok tudóst izgatott.
• A DNS-szerkezet dekódolásával a modern molekuláris biológia és így a genetikai információk kereskedelmi felhasználása megadható volt.