De ontdekking van de structuur van DNA werd deze maand 50 jaar geleden gemeld. Maar de saga begon vele jaren eerder, zegt Susan Aldridge
Op 25 april 1953 verscheen een artikel in Nature dat de biowetenschappen zou veranderen – van biochemie en landbouw tot geneeskunde en genetica. James Watson en Francis Crick, toen aan de universiteit van Cambridge, meldden de ontdekking van de structuur van DNA (desoxyribonucleïnezuur) – het molecuul waarvan genen zijn gemaakt.
Crick en Watson gebruikten modelbouw om de nu beroemde dubbele helix van DNA te onthullen, maar de röntgenkristallografische gegevens van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins aan King’s College in Londen waren van cruciaal belang voor de ontdekking. De doorbraak was ook voor een groot deel te danken aan de vooruitgang op het gebied van biochemische technieken, microscopie, chemische analyse en theorieën over chemische bindingen die zich vanaf het midden van de 19e eeuw hadden ontwikkeld. De ware betekenis van de DNA-structuur werd rond dezelfde tijd onderstreept door de definitieve regeling van een decennialange controverse over de vraag of DNA dan wel eiwit de “levensmolecule” was.
De DNA-saga begon in 1869, toen de Zwitserse biochemicus Friedrich Miescher een nieuwe stof isoleerde uit de kernen van witte bloedcellen. Onderzoekers waren zich er pas van bewust dat cellen de basiseenheid van het leven vormden en Miescher was geïnteresseerd in hun chemische bestanddelen. Elke morgen belde hij aan bij de plaatselijke kliniek om vuile verbanden op te halen, want in de dagen vóór antiseptica waren deze gedrenkt in pus – een goede bron van witte bloedcellen met hun grote kernen. Door alkali toe te voegen barstten de celkernen open, waardoor hun inhoud vrijkwam, waaruit Miescher DNA extraheerde (dat hij nucleïne noemde).
Analyse van dit nucleïne toonde aan dat het een zuur was, dat fosfor bevatte, zodat het niet paste in een van de bekende groepen van biologische moleculen, zoals koolhydraten en eiwitten. Miescher berekende de formule als C29H49O22N9P3 – een grove onderschatting, die het feit weerspiegelt dat DNA een lange, fragiele molecule is die gemakkelijk fragmenteert. Miescher moet een van de fragmenten hebben gebruikt voor het bepalen van de formule. Nucleïne werd omgedoopt tot nucleïnezuur en, ondanks zijn chemische nieuwheid, werd zijn biologische betekenis pas na vele tientallen jaren ten volle gerealiseerd.
Intussen bleef de cel, dankzij de ontwikkelingen in de microscopie, haar geheimen prijsgeven. In 1879 ontdekte de Duitse bioloog Walther Flemming in de celkern minuscule draadvormige structuren, chromatine genaamd (later chromosomen genoemd) – zo genoemd omdat zij gemakkelijk de kleur absorbeerden van de nieuwe kleurstoffen die werden gebruikt om cellulaire componenten zichtbaar te maken. Studies over celdeling zouden de sleutelrol onthullen die chromosomen spelen bij de overerving – hoe zij zich verdubbelen voordat de cel splitst, en zich vervolgens in twee reeksen splitsen, waarbij in elke ‘dochtercel’ een nieuw exemplaar wordt opgenomen.
Verder onderzoek suggereerde dat chromosomen DNA bevatten, wat een andere Duitse onderzoeker, Oskar Hertwig, ertoe bracht te verklaren dat ‘nucleïne de stof is die verantwoordelijk is … voor de overdracht van erfelijke eigenschappen’. Niet iedereen was het daarmee eens – Miescher bijvoorbeeld. Chromosomen bevatten ook eiwitten, en biochemici begonnen net in te zien wat voor grote, complexe moleculen eiwitten waren. De kwetsbaarheid van DNA zou de onderliggende complexiteit nog vele jaren verbergen.
Ironiek genoeg was Miescher waarschijnlijk de eerste die het idee opperde van een chemische code die biologische informatie van de ene cel naar de andere overbrengt, maar hij, zoals vele anderen na hem, geloofde dat alleen eiwitten in staat waren zo’n code over te dragen.
Tegen 1900 was bekend dat de basisbouwstenen van DNA bestonden uit fosfaat, een suiker (waarvan later werd aangetoond dat het deoxyribose was) en vier heterocyclische basen – waarvan er twee purines waren en de andere twee pyrimidines .
Het was Phoebus Levene, van het Rockefeller Instituut in New York, en een oud-leerling van de Russische chemicus en componist Alexander Borodin, die aantoonde dat de componenten van DNA met elkaar verbonden waren in de volgorde fosfaat-suiker-base. Hij noemde elk van deze eenheden een nucleotide en stelde dat de DNA-molecule bestond uit een reeks nucleotide-eenheden die met elkaar verbonden waren via de fosfaatgroepen, die de “ruggengraat” van de molecule vormen.
Maar niemand waardeerde de buitengewone lengte van de DNA-molecule tot ver in de 20e eeuw. We weten nu dat het DNA van één menselijke cel, als het achter elkaar zou worden gelegd, een molecuul van ongeveer 1 meter lang zou vormen. Zelfs een eenvoudig organisme als de bacterie E. coli heeft een DNA-molecule van iets meer dan 1 mm lang. Miescher had zich dit natuurlijk niet gerealiseerd, evenmin als Levene, die volhield dat DNA een betrekkelijk kleine molecule was – waarschijnlijk ongeveer 10 nucleotiden lang.
Levene was er ook van overtuigd dat de hoeveelheden van de vier basen in alle DNA-moleculen gelijk waren, ongeacht hun oorsprong. Dus zelfs toen de Zweedse onderzoekers Torbj?rn Caspersson en Einar Hammersten in de jaren dertig van de vorige eeuw aantoonden dat DNA een polymeer was, bleven de meeste mensen geloven in Levene’s ’tetranucleotide-hypothese’. Zelfs indien DNA miljoenen nucleotiden zou bevatten, werd gedacht dat deze gerangschikt zouden zijn op een monotone en voorspelbare manier die geen betekenisvolle informatie kon bevatten. Levene’s tijdgenoot, de grote Duitse chemicus Emil Fischer, had aangetoond dat eiwitten bestaan uit aminozuren die in verschillende volgordes aan elkaar zijn gekoppeld. Het leek er meer en meer op dat eiwitten de genetische code droegen, terwijl DNA een ondersteunende rol speelde in de chromosomen.
Een doorbraak kwam van Oswald Avery, Colin McLeod en Maclyn McCarty, een team van medische microbiologen aan het Rockefeller Instituut in New York. Zij probeerden de aard van het “transformerende principe” te achterhalen – een stof die in 1928 was ontdekt door de Engelse microbioloog Fred Griffith. Griffith had geëxperimenteerd met twee soorten pneumococcus, de bacterie die longontsteking veroorzaakt (zeer gevreesd in de dagen vóór antibiotica).
Een vorm – bekend als de gladde vorm naar zijn uiterlijk bij het kweken in petrischaaltjes – stond bekend als pathogeen, terwijl de tweede, ‘ruwe’, vorm onschadelijk was. Tot zijn verbazing ontdekte Griffith dat het mengen van levende ruwe bacteriën met gedode gladde pneumokokken de ruwe pneumokokken kon omzetten in een virulente gladde vorm. Kennelijk was een of andere stof – het transformerende principe (genen, met andere woorden) – van de gladde bacteriën overgegaan op de ruwe bacteriën. Met behulp van enzymen die specifieke celbestanddelen afbraken, toonden Avery en zijn team door een proces van eliminatie aan dat DNA, en niet eiwit, het transformerende principe was.
Fysici hadden ook bijgedragen aan dit debat – Erwin Schröder bijvoorbeeld bracht het concept van het ‘aperiodieke kristal’ naar voren in zijn invloedrijke boek Wat is leven? Eenvoudige kristallen zoals natriumchloride kunnen geen genetische informatie dragen omdat hun ionen in een periodiek patroon zijn gerangschikt. Wat Schr.dinger voorstelde was dat de ‘blauwdruk’ van het leven te vinden zou zijn in een verbinding waarvan de componenten in een lange onregelmatige reeks waren gerangschikt, die informatie droeg in de vorm van een genetische code, ingebed in zijn chemische structuur. Eiwitten waren de voor de hand liggende kandidaat voor het aperiodieke kristal, waarbij de aminozuursequentie de code verschafte. Nu, met Avery’s ontdekkingen, viel de schijnwerper op DNA als een alternatieve keuze voor het genetisch materiaal.
Het onderzoek om de structuur van DNA te bepalen werd nog urgenter (hoewel de definitieve bevestiging van de centrale rol van DNA nog moest komen, door experimenten die werden uitgevoerd door Alfred Hershey en Martha Chase in de VS in het begin van de jaren 1950). De Oostenrijkse chemicus Erwin Chargaff bijvoorbeeld was diep onder de indruk van Avery’s werk. Hij schreef: “Ik zag in donkere contouren het begin van een grammatica van de biologie voor me. Avery gaf ons de eerste tekst van een nieuwe taal, of liever hij toonde ons waar we hem konden zoeken. Ik nam mij voor naar deze tekst te zoeken. Chargaff pionierde met de papierchromatografie van nucleïnezuren en gebruikte dit om te bepalen hoeveel van elk van de samenstellende nucleotiden in een DNA-monster zat. Hij haalde Levene’s tetranucleotide-hypothese snel onderuit. Elke soort verschilde in de hoeveelheid A, C, G en T – maar binnen de soort waren de verhoudingen identiek, ongeacht uit welk weefsel het DNA werd geëxtraheerd. Het was precies wat zou kunnen worden verwacht voor een molecule die de biologische handtekening voor de soort is.
Even belangrijker was Chargaff’s verdere ontdekking dat het aandeel van A in elk DNA molecuul altijd gelijk was aan het aandeel van T en, evenzo, dat de hoeveelheid van G en C altijd overeenkwamen – een regel die bekend werd als Chargaff’s ratio’s. Hoewel Chargaff zelf weinig direct gebruik lijkt te hebben gemaakt van zijn bevindingen, was het idee van basenparen (A met T, C met G) een cruciale stap in het in elkaar passen van de driedimensionale structuur van DNA.
De laatste fase van het oplossen van de puzzel van de DNA-structuur berustte op röntgen-kristallografie. Het gebruik van röntgenstralen om de structuren van grote biologische moleculen op te lossen begon met het werk van Dorothy Hodgkin aan penicilline, lysosyme en vitamine B12, en het werk van Max Perutz aan hemoglobine in de jaren 1930. Tegen 1938 beschikte William Astbury, een leerling van William Bragg (die samen met zijn zoon Lawrence de techniek in 1913 had uitgevonden) over röntgenfoto’s van DNA, maar die waren moeilijk te interpreteren.
In de late jaren veertig werkten drie afzonderlijke groepen intensief aan de DNA-structuur. Aan het King’s College in Londen was Maurice Wilkins geïntrigeerd door de lange vezels die DNA vormt wanneer het met een glazen staaf uit waterige oplossingen wordt getrokken, en hij vroeg zich af of dit betekende dat er enige regelmaat in de structuur zat. Hij maakte meer röntgenfoto’s, waarbij hij gebruik maakte van geïmproviseerde apparatuur waarvan men zich tegenwoordig nauwelijks een voorstelling kan maken. In 1951 kreeg Wilkins gezelschap van Rosalind Franklin, een Britse fysisch chemicus die al een internationale reputatie had door haar werk aan de röntgenkristallografie van kolen. Zij begon aan de bouw van een speciaal röntgenlaboratorium in King’s en produceerde al snel de beste beelden ooit van DNA. Deze brachten haar op het idee dat de DNA-molecule misschien opgerold was in een spiraalvorm.
Linus Pauling, de Amerikaanse chemicus, en auteur van The nature of the chemical bond, begon in dezelfde richting te denken. Pauling had immers al spiraalvormige motieven ontdekt in eiwitstructuren. Rond deze tijd bundelden Francis Crick – met een achtergrond in wis- en natuurkunde, en de jongere James Watson, met expertise in de moleculaire biologie van fagen (virussen die bacteriën infecteren, en dan gebruikt worden als een laboratorium instrument voor genetische studies), hun krachten in het Cavendish Laboratory in Cambridge, met de bedoeling om de DNA structuur zelf te kraken, gebruik makend van een modelbouw benadering.
Zij hadden het idee dat de structuur van DNA het molecuul in staat moest stellen zichzelf tijdens de celdeling te kopiëren, zodat een exacte replica van de code – die, alweer, in de structuur was ingebed – in elke nieuwe cel kon overgaan. Een bezoek van Chargaff aan de Cavendish in 1952 bracht hem op de gedachte dat de volgorde van de basen misschien de genen in een chemische code zou kunnen vertegenwoordigen. Ondertussen publiceerde Pauling een artikel over de DNA-structuur, maar het bevatte een grote fout (hij plaatste de fosfaatgroepen aan de binnenkant). De intrede van deze wetenschappelijke reus in de race spoorde Crick en Watson aan tot grotere inspanningen, terwijl Wilkins en Franklin niet echt goed opschieten en weinig vooruitgang boeken met DNA.
Een beslissend moment kwam toen Wilkins Watson een van Franklins foto’s liet zien van de zogenaamde B-vorm van DNA. Eerdere studies hadden de A-vorm gebruikt, die minder water bevat en tot moeilijk te analyseren beelden had geleid. Deze foto daarentegen was prachtig eenvoudig en leek duidelijk te wijzen op een spiraalvormige structuur van het molecuul. Zoals Watson het in zijn beroemde memoires formuleert: Op het moment dat ik de foto zag, viel mijn mond open en begon mijn hart te bonzen’.
De bouw van modellen – met behulp van metalen platen voor de nucleotiden en staven voor de bindingen ertussen – begon nu in alle ernst. Maar Crick en Watson wisten niet of ze hun helix moesten bouwen met de fosfaten binnen of buiten, en ze wisten niet zeker hoe ze Chargaffs ideeën over basenparen moesten verwerken.
De laatste aanwijzing kwam van een andere bezoeker aan de Cavendish, de Amerikaanse scheikundige Jerry Donohue, die erop wees hoe waterstofbruggen het mogelijk maken dat A zich bindt aan T en C aan G. Dit maakt een dubbele spiraalstructuur voor DNA mogelijk, waarbij de twee strengen de basen aan de binnenkant hebben, gekoppeld, en de fosfaten aan de buitenkant.
De ware schoonheid van het model dat Crick en Watson bouwden, was dat de structuur onmiddellijk een functie suggereerde. Zoals zij lieten doorschemeren, in hun Nature paper: “Het is ons niet ontgaan dat de specifieke koppeling die wij hebben gepostuleerd een mogelijk kopieermechanisme voor het genetisch materiaal suggereert”.
De DNA molecule is zelfreplicerend (zoals enkele jaren later door experimenten werd bewezen) omdat zij zich kan ontrollen in twee enkele strengen. Elke base trekt dan zijn complementaire base aan, door waterstofbinding, zodat twee nieuwe dubbele helices worden geassembleerd.
Franklin en Wilkins vielen niet geheel buiten de eer voor de DNA-structuur; hun eigen afzonderlijke artikelen werden rug aan rug gepubliceerd met die van Crick en Watson in hetzelfde nummer van Nature. Crick, Watson en Wilkins wonnen de Nobelprijs voor hun werk in 1962 (Franklin stierf aan kanker op 37-jarige leeftijd in 1958).
De ontdekking van de DNA-structuur was het begin van een nieuw tijdperk in de biologie, dat in de volgende twee decennia leidde tot het kraken van de genetische code en het besef dat DNA de synthese van eiwitten aanstuurt. Er was ook technische vooruitgang, zoals DNA-sequencing, genetische manipulatie en het klonen van genen. Meer recentelijk zijn de volledige sequenties van vele organismen opgelost – waaronder het menselijk genoom in juni 2000. De volgende 50 jaar van het DNA-verhaal zullen in het teken staan van het realiseren van de praktische voordelen van de ontdekking van Crick en Watson voor de mensheid – in de industrie, de geneeskunde, de voeding en de landbouw.
Bron: Chemistry in Britain
Acknowledgements
Susan Aldridge
Further Reading
A historic paper
In hun beroemde Nature paper waarin ze de structuur van DNA aankondigen, komen Crick en Watson meteen ter zake. Wij wensen een radicaal andere structuur voor te stellen voor het zout van desoxyribose nucleïnezuur. Vaak wordt aangenomen dat als het tweetal dit artikel vandaag zou indienen, zij zouden moeten zeggen: “Een radicaal andere structuur voor het zout van deoxyribose wordt voorgesteld”. In feite heeft Nature altijd het gebruik van de actieve, persoonlijke stem aangemoedigd, in het belang van de duidelijkheid en de leesbaarheid. Een blik op een recent nummer bevestigt dat er geen verbod is op de woorden “wij” of “onze”. Maar veel onderzoekers blijven zich ertegen verzetten – wellicht in de overtuiging dat de passieve stem autoriteit en objectiviteit aan hun werk toevoegt.
Hoewel het DNA-paper kort, levendig en leesbaar is, maakte het geen enorme indruk toen het voor het eerst verscheen. Terwijl Sydney Brenner (die in 2002 de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde kreeg voor zijn bijdrage aan de moleculaire biologie) het onmiddellijk als een mijlpaal bestempelde, waren vele anderen onverschillig of verklaarden dat het gewoon fout was. Het werk van Crick en Watson kreeg veel meer bekendheid in 1968 met de publicatie van Watson’s levendige en controversiële verslag van zijn leven in onderzoek, dat naar verluidt veel jonge mensen heeft geïnspireerd tot een carrière in de wetenschap.