DNA-historien

Offentliggørelsen af DNA’s struktur blev offentliggjort for 50 år siden i denne måned. Men sagaen begyndte mange år før, fortæller Susan Aldridge

Den 25. april 1953 udkom der en artikel i Nature, som skulle ændre biovidenskaberne – fra biokemi og landbrug til medicin og genetik. James Watson og Francis Crick, der dengang var ansat på Cambridge University, rapporterede om opdagelsen af strukturen af DNA (deoxyribonukleinsyre) – det molekyle, som generne er lavet af.

Crick og Watson brugte modelbygning til at afsløre DNA’s nu berømte dobbeltspiral, men de røntgenkrystallografiske data fra Rosalind Franklin og Maurice Wilkins på King’s College i London var afgørende for opdagelsen. Gennembruddet skyldtes også i høj grad fremskridt inden for biokemiske teknikker, mikroskopi, kemisk analyse og teorier om kemiske bindinger, som var blevet udviklet fra midten af det 19. århundrede. Den virkelige betydning af DNA-strukturen blev understreget omkring samme tid af den endelige løsning på en årtier lang kontrovers om, hvorvidt DNA eller protein var “livets molekyle”.

DNA-sagaen begyndte i 1869, da den schweiziske biokemiker Friedrich Miescher isolerede et nyt stof fra kerner fra hvide blodlegemer. Forskerne var for nylig blevet klar over, at celler var livets grundlæggende enhed, og Miescher var interesseret i deres kemiske bestanddele. Hver morgen opsøgte han den lokale klinik for at hente beskidte bandager, for i tiden før antiseptiske midler var disse gennemvædet af pus – en god kilde til hvide blodlegemer med deres store kerner. Ved at tilsætte alkali sprang cellekernerne op og frigjorde deres indhold, hvorfra Miescher ekstraherede DNA (som han kaldte nuclein).

Analyse af dette nuclein viste, at det var en syre, der indeholdt fosfor, så det passede ikke ind i nogen af de kendte grupper af biologiske molekyler, som f.eks. kulhydrater og proteiner. Miescher beregnede dens formel som C29H49O22N9P3 – en grov undervurdering, der afspejler det faktum, at DNA er et langt, skrøbeligt molekyle, der let fragmenteres. Miescher må have brugt et af disse fragmenter til at bestemme formlen. Nuclein blev omdøbt til nukleinsyre, og på trods af dets kemiske nyhed blev dets biologiske betydning ikke fuldt ud erkendt før i mange årtier endnu.

I mellemtiden fortsatte cellen takket være udviklingen inden for mikroskopi med at afsløre sine hemmeligheder. I 1879 opdagede den tyske biolog Walther Flemming små trådlignende strukturer kaldet kromatin (senere kendt som kromosomer) i kernen – kaldet fordi de let absorberede farven fra de nye farvestoffer, der blev brugt til at afsløre cellens bestanddele. Undersøgelser af celledeling skulle afsløre den centrale rolle, som kromosomer spiller for arv – hvordan de fordobles, inden cellen deler sig, og derefter deler sig i to sæt og tager en ny kopi med ind i hver “dattercelle”.

Yderligere analyser tydede på, at kromosomer indeholdt DNA, hvilket fik en anden tysk forsker, Oskar Hertwig, til at erklære, at “nuclein er det stof, der er ansvarlig … for overførslen af arvelige egenskaber”. Ikke alle var enige – bl.a. Miescher. Kromosomer indeholdt også proteiner, og biokemikere var lige begyndt at forstå, at proteiner var store og komplekse molekyler. DNA’s skrøbelighed skulle skjule dets underliggende kompleksitet i mange år endnu.

Ironisk set var Miescher muligvis den første, der fremsatte ideen om en kemisk kode, der overleverede biologisk information fra en celle til en anden, men han troede, ligesom mange andre efter ham, at kun proteiner var i stand til at bære en sådan kode.

I 1900 vidste man, at DNA’s grundlæggende byggesten var fosfat, et sukkerstof (som senere viste sig at være deoxyribose) og fire heterocykliske baser – hvoraf de to var puriner, mens de to andre var pyrimidiner .

Det var Phoebus Levene fra Rockefeller Institute, New York, og tidligere elev af den russiske kemiker og komponist Alexander Borodin, der viste, at DNA’s bestanddele var forbundet i rækkefølgen fosfat-sukker-base. Han kaldte hver af disse enheder for en nukleotid og hævdede, at DNA-molekylet bestod af en række nukleotid-enheder, der var forbundet med hinanden gennem fosfatgrupperne, som er molekylets “rygrad”.

Men ingen forstod den ekstraordinære længde af DNA-molekylet før langt ind i det 20. århundrede. Vi ved nu, at DNA’et fra en menneskecelle, hvis det blev lagt ende mod ende, ville udgøre et molekyle på ca. 1 m i længde. Selv en simpel organisme som bakterien E. coli har et DNA-molekyle, der er lidt over 1 mm langt. Miescher havde naturligvis ikke indset dette, og det gjorde Levene heller ikke, som insisterede på, at DNA var et relativt lille molekyle – sandsynligvis omkring 10 nukleotider langt.

Levene var også overbevist om, at mængderne af de fire baser var de samme i alle DNA-molekyler, uanset deres oprindelse. Så selv da de svenske forskere Torbj?rn Caspersson og Einar Hammersten i 1930’erne viste, at DNA var en polymer, fortsatte de fleste mennesker med at tro på Levenes “tetranukleotidhypotese”. Selv om DNA indeholdt millioner af nukleotider, mente man, at de var anbragt på en monoton og forudsigelig måde, som ikke kunne have noget meningsfuldt informationsindhold. Levenes samtidige, den store tyske kemiker Emil Fischer, havde vist, at proteiner består af aminosyrer, der er forbundet med hinanden i forskellige sekvenser. Det så mere og mere ud som om, at proteinerne bar den genetiske kode, mens DNA spillede en støttefunktion i kromosomerne.

Et gennembrud kom fra Oswald Avery, Colin McLeod og Maclyn McCarty, et hold af medicinske mikrobiologer ved Rockefeller Institute i New York. De forsøgte at identificere arten af det “transformerende princip” – et stof, der blev opdaget af den engelske mikrobiolog Fred Griffith i 1928. Griffith havde eksperimenteret med to arter af pneumokokker, de bakterier, der forårsager lungebetændelse (meget frygtet i tiden før antibiotika).

Den ene form – kendt som den glatte form på grund af dens udseende, når den blev dyrket i Petriskåle – var kendt for at være sygdomsfremkaldende, mens den anden, den “ru” form var harmløs. Til sin overraskelse fandt Griffith, at hvis man blandede levende ru bakterier med dræbte glatte pneumokokker, kunne man omdanne de ru pneumokokker til en virulent glat form. Tilsyneladende var et eller andet stof – det transformerende princip (med andre ord gener) – gået fra de glatte bakterier til de ru bakterier. Ved hjælp af enzymer, der nedbryder specifikke cellekomponenter, viste Avery og hans hold ved hjælp af en elimineringsproces, at DNA og ikke protein var det transformerende princip.

Fysikere havde også bidraget til denne debat – for eksempel havde Erwin Schr?dinger fremsat begrebet “aperiodisk krystal” i sin indflydelsesrige bog What is life? Simple krystaller som f.eks. natriumklorid kan ikke bære genetisk information, fordi deres ioner er anbragt i et periodisk mønster. Schr?dinger foreslog, at livets “blueprint” skulle findes i en forbindelse, hvis bestanddele var anbragt i en lang uregelmæssig rækkefølge, som indeholdt information i form af en genetisk kode, der var indlejret i dens kemiske struktur. Proteiner havde været den oplagte kandidat til den aperiodiske krystal, hvor aminosyresekvensen udgjorde koden. Med Averys opdagelser kom DNA i fokus som et alternativt valg til det genetiske materiale.

Forskningen med henblik på at bestemme DNA’s struktur blev endnu mere presserende (selv om den endelige bekræftelse af DNA’s centrale rolle først blev bekræftet ved eksperimenter udført af Alfred Hershey og Martha Chase i USA i begyndelsen af 1950’erne). Den østrigske kemiker Erwin Chargaff var dybt imponeret over Avery’s arbejde. Han skrev: “Jeg så foran mig i mørke konturer begyndelsen til en grammatik for biologien. Avery gav os den første tekst til et nyt sprog, eller rettere sagt, han viste os, hvor vi skulle lede efter det. Jeg besluttede mig for at lede efter denne tekst”. Chargaff var pioner inden for papirkromatografi af nukleinsyrer og brugte dette til at bestemme, hvor meget af hver af de enkelte nukleotider, der indgår i en DNA-prøve, der var indeholdt. Han nedbrød hurtigt Levenes tetranukleotid-hypotese. Hver art adskilte sig i mængden af A, C, G og T – men inden for en art er proportionerne af hver af dem identiske, uanset hvilket væv DNA’et er udvundet fra. Det var præcis, hvad man kunne forvente for et molekyle, der er den biologiske signatur for arten.

Et endnu mere betydningsfuldt var Chargaffs yderligere opdagelse af, at andelen af A i ethvert DNA-molekyle altid var lig med andelen af T, og på samme måde svarede mængden af G og C altid til hinanden – en regel, der blev kendt som Chargaffs forholdstal. Selv om Chargaff selv tilsyneladende ikke har gjort direkte brug af sine resultater, skulle ideen om baseparring (A med T, C med G) blive et afgørende skridt i arbejdet med at finde frem til DNA’s tredimensionelle struktur.

Den sidste fase i løsningen af gåden om DNA-strukturen var afhængig af røntgenkrystallografi. Brugen af røntgenstråler til at løse strukturerne af store biologiske molekyler begyndte med Dorothy Hodgkins arbejde med penicillin, lysosym og vitamin B12 samt Max Perutz’ arbejde med hæmoglobin fra 1930’erne. I 1938 havde William Astbury, en elev af William Bragg (som sammen med sønnen Lawrence havde opfundet teknikken i 1913), røntgenbilleder af DNA, men de var svære at fortolke.

I slutningen af 1940’erne arbejdede tre forskellige grupper intensivt på DNA-strukturen. På King’s College i London var Maurice Wilkins fascineret af de lange fibre, som DNA danner, når det trækkes ud af vandige opløsninger med en glasstav, og han undrede sig over, om det betød, at der var en vis regelmæssighed i dets struktur. Han fremstillede flere røntgenbilleder ved hjælp af et improviseret apparat, som det er svært at forestille sig i dag. I 1951 fik Wilkins selskab af Rosalind Franklin, en britisk fysisk kemiker, som allerede havde et internationalt ry for sit arbejde med røntgenkrystallografi af kul. Hun gik i gang med at opbygge et særligt røntgenlaboratorium på King’s og producerede snart de bedste billeder nogensinde af DNA. Disse førte hende til den idé, at DNA-molekylet måske var viklet ind i en spiralform.

Linus Pauling, den amerikanske kemiker og forfatter til bogen The nature of the chemical bond, begyndte at tænke i samme retning. Pauling havde trods alt allerede opdaget spiralformede motiver i proteinstrukturer. Omkring dette tidspunkt slog Francis Crick – med en baggrund i matematik og fysik – og den yngre James Watson, der havde ekspertise inden for molekylærbiologi af fager (virus, der inficerer bakterier, og som derefter blev brugt som laboratorieværktøj til genetiske undersøgelser), sig sammen på Cavendish Laboratory i Cambridge med det formål at knække DNA-strukturen selv ved hjælp af en modelopbygningsmetode.

De fik den idé, at DNA’s struktur måtte gøre det muligt for molekylet at kopiere sig selv under celledelingen, således at en nøjagtig kopi af dets kode – som igen var indlejret i strukturen – kunne overføres til hver ny celle. Et besøg af Chargaff på Cavendish i 1952 gav anledning til yderligere tanker om, at sekvensen af baser måske kunne repræsentere generne i en kemisk kode. I mellemtiden offentliggjorde Pauling en artikel om DNA-strukturen, men den indeholdt en stor fejl (han satte fosfatgrupperne på indersiden). Denne videnskabelige gigants indtræden i kapløbet ansporede Crick og Watson til at gøre en større indsats, mens Wilkins og Franklin ikke rigtig kom godt ud af det og kun gjorde få fremskridt med DNA.

Et skelsættende øjeblik kom, da Wilkins viste Watson et af Franklins fotos af den såkaldte B-form af DNA til Watson. Tidligere undersøgelser havde brugt A-formen, som indeholder mindre vand og havde ført til billeder, der var svære at analysere. Dette billede var derimod smukt enkelt og syntes klart at pege på en spiralformet struktur for molekylet. Som Watson udtrykker det i sine berømte erindringer: “I det øjeblik, jeg så billedet, faldt min mund op, og mit hjerte begyndte at banke”.

Modelbygningen – ved hjælp af metalplader for nukleotiderne og stænger for bindingerne mellem dem – begyndte nu for alvor. Men Crick og Watson vidste ikke, om de skulle bygge deres helix med fosfaterne indenfor eller udenfor, og de var usikre på, hvordan de skulle indarbejde Chargaffs idéer om baseparring.

Den sidste ledetråd kom fra en anden besøgende på Cavendish, den amerikanske kemiker Jerry Donohue, som påpegede, hvordan hydrogenbinding gør det muligt for A at binde sig til T og C til G. Dette giver mulighed for en dobbeltspiralformet struktur for DNA, hvor de to strenge har baserne på indersiden, der er parret sammen, og fosfaterne på ydersiden.

Den virkelige skønhed ved den model, som Crick og Watson byggede, var, at strukturen straks foreslog en funktion. Som de antydede i deres Nature-artikel: ‘Det er ikke undgået vores opmærksomhed, at den specifikke parring, vi har postuleret, antyder en mulig kopieringsmekanisme for det genetiske materiale’.

DNA-molekylet er selvreplikerende (hvilket blev bevist ved eksperimenter et par år senere), fordi det kan afvikles til to enkeltstrenge. Hver base tiltrækker derefter sin komplementære base ved hjælp af hydrogenbinding, så to nye dobbeltspiraler samles.

Franklin og Wilkins gik ikke helt glip af æren for DNA-strukturen; deres egne separate artikler blev offentliggjort side om side med Crick og Watsons artikler i det samme nummer af Nature. Crick, Watson og Wilkins vandt Nobelprisen for deres arbejde i 1962 (Franklin døde af kræft i en alder af 37 år i 1958).

Offentliggørelsen af DNA-strukturen var starten på en ny æra i biologien, som i løbet af de næste to årtier førte til at knække den genetiske kode og til erkendelsen af, at DNA styrer syntesen af proteiner. Der skete også tekniske fremskridt, såsom DNA-sekventering, genteknologi og kloning af gener. I den senere tid er de fuldstændige sekvenser af mange organismer blevet opklaret – herunder det menneskelige genom i juni 2000. De næste 50 år af DNA-historien vil handle om at realisere de praktiske fordele af Crick og Watsons opdagelse for menneskeheden – inden for industri, medicin, fødevarer og landbrug.

Kilde: Chemistry in Britain

Acknowledgements

Susan Aldridge

Forher Reading