Odkrycie struktury DNA zostało ogłoszone 50 lat temu w tym miesiącu. Ale saga zaczęła się wiele lat wcześniej, mówi Susan Aldridge
W dniu 25 kwietnia 1953 r. w Nature ukazał się artykuł, który miał zmienić nauki przyrodnicze – od biochemii i rolnictwa po medycynę i genetykę. James Watson i Francis Crick, wówczas na Uniwersytecie Cambridge, zgłosili odkrycie struktury DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego) – cząsteczki, z której zbudowane są geny.
Crick i Watson wykorzystali budowę modelu, aby ujawnić słynną już podwójną helisę DNA, ale kluczowe znaczenie dla odkrycia miały krystalograficzne dane rentgenowskie Rosalind Franklin i Maurice’a Wilkinsa z King’s College w Londynie. Przełom zawdzięczamy również postępom w technikach biochemicznych, mikroskopii, analizie chemicznej i teoriom wiązań chemicznych, które rozwijały się od połowy XIX wieku. Prawdziwe znaczenie struktury DNA zostało podkreślone mniej więcej w tym samym czasie przez ostateczne rozstrzygnięcie trwającej dziesiątki lat kontrowersji dotyczącej tego, czy to DNA czy białko jest „cząsteczką życia”.
Saga DNA rozpoczęła się w 1869 roku, kiedy szwajcarski biochemik Friedrich Miescher wyizolował nową substancję z jąder białych krwinek. Naukowcy byli od niedawna świadomi, że komórki są podstawową jednostką życia, a Miescher interesował się ich składnikami chemicznymi. Każdego ranka dzwonił do miejscowej kliniki po brudne bandaże, ponieważ w czasach przed antyseptyką były one nasączone ropą – dobrym źródłem białych krwinek z ich dużymi jądrami. Dodanie zasady sprawiło, że jądra komórkowe pękły, uwalniając swoją zawartość, z której Miescher wyodrębnił DNA (nazwane przez niego nukleiną).
Analiza tego nukleiny wykazała, że był to kwas, zawierający fosfor, więc nie pasuje do żadnej ze znanych grup cząsteczek biologicznych, takich jak węglowodany i białka. Miescher obliczył jej wzór jako C29H49O22N9P3 – co było poważnym niedoszacowaniem, odzwierciedlającym fakt, że DNA jest długą, kruchą cząsteczką, która łatwo ulega fragmentacji. Miescher musiał użyć jednego z fragmentów do określenia wzoru. Nukleina została przemianowana na kwas nukleinowy i mimo chemicznej nowości, jej biologiczne znaczenie nie zostało w pełni poznane przez wiele następnych dziesięcioleci.
W międzyczasie, dzięki rozwojowi mikroskopii, komórka nadal dostarczała swoich tajemnic. W 1879 roku niemiecki biolog Walther Flemming odkrył w jądrze maleńkie, podobne do nici struktury zwane chromatyną (później znane jako chromosomy) – tak zwane, ponieważ łatwo absorbowały kolor z nowych barwników używanych do ujawniania składników komórkowych. Badania nad podziałem komórkowym miały ujawnić kluczową rolę chromosomów w dziedziczeniu – w jaki sposób podwajają się one przed podziałem komórki, a następnie dzielą się na dwa zestawy, zabierając świeżą kopię do każdej komórki-córki.
Późniejsze analizy sugerowały, że chromosomy zawierają DNA, co doprowadziło innego niemieckiego badacza, Oskara Hertwiga, do stwierdzenia, że „nukleina jest substancją, która jest odpowiedzialna … za przekazywanie cech dziedzicznych”. Nie wszyscy się z tym zgadzali – na przykład Miescher. Chromosomy zawierały również białko, a biochemicy dopiero zaczynali doceniać, jak dużymi, złożonymi cząsteczkami są białka. Kruchość DNA miała ukryć jego złożoność jeszcze przez wiele lat.
Ironically, Miescher był prawdopodobnie pierwszym, który wysunął pomysł chemicznego kodu przekazującego informacje biologiczne z jednej komórki do drugiej, ale on, jak wielu innych po nim, wierzył, że tylko białka były zdolne do przenoszenia takiego kodu.
Do roku 1900 wiadomo było, że podstawowymi elementami składowymi DNA są fosforan, cukier (później okazało się, że jest to deoksyryboza) i cztery heterocykliczne zasady – z których dwie były purynami, a pozostałe dwie pirymidynami.
To był Phoebus Levene, z Instytutu Rockefellera, Nowy Jork, i były student rosyjskiego chemika i kompozytora Alexander Borodin, który pokazał, że składniki DNA były połączone w kolejności fosforan-cukier-zasada. Nazwał każdą z tych jednostek nukleotydem, twierdząc, że cząsteczka DNA składa się z ciągu jednostek nukleotydowych połączonych ze sobą poprzez grupy fosforanowe, które są „kręgosłupem” cząsteczki.
Ale nikt nie docenił niezwykłą długość cząsteczki DNA aż do dobrze w 20 wieku. Teraz wiemy, że DNA z jednej komórki ludzkiej, gdyby położyć koniec do końca, utworzyć cząsteczkę o długości około 1m. Nawet tak prosty organizm jak bakteria E. coli ma cząsteczkę DNA o długości nieco ponad 1 mm. Miescher oczywiście nie zdawał sobie z tego sprawy, podobnie jak Levene, który upierał się, że DNA jest stosunkowo małą cząsteczką – prawdopodobnie o długości około 10 nukleotydów.
Levene był również przekonany, że ilości czterech zasad były takie same we wszystkich cząsteczkach DNA, niezależnie od ich pochodzenia. Tak więc nawet gdy szwedzcy badacze Torbj?rn Caspersson i Einar Hammersten wykazali w latach trzydziestych, że DNA jest polimerem, większość ludzi nadal wierzyła w „hipotezę tetranukleotydową” Levene’a. Nawet jeśli DNA zawierało miliony nukleotydów, sądzono, że są one ułożone w monotonny i przewidywalny sposób, który nie może zawierać żadnej istotnej informacji. Współczesny Levene’owi, wielki niemiecki chemik Emil Fischer, wykazał, że białka zbudowane są z aminokwasów, połączonych ze sobą w różne sekwencje. Wyglądało to coraz bardziej tak, jakby białka były nośnikami kodu genetycznego, podczas gdy DNA odgrywało rolę pomocniczą w chromosomach.
Przełom nastąpił od Oswalda Avery’ego, Colina McLeoda i Maclyna McCarty’ego, zespołu mikrobiologów medycznych w Instytucie Rockefellera w Nowym Jorku. Próbowali oni zidentyfikować naturę „zasady przemiany” – substancji odkrytej przez angielskiego mikrobiologa Freda Griffitha w 1928 roku. Griffith eksperymentował z dwoma gatunkami pneumokoków, bakterii wywołujących zapalenie płuc (których bardzo się obawiano w czasach przed antybiotykami).
Jedna forma – znana jako forma gładka od jej wyglądu podczas hodowli w szalkach Petriego – była znana jako patogenna, podczas gdy druga, „szorstka”, forma była nieszkodliwa. Ku swojemu zaskoczeniu Griffith odkrył, że mieszanie żywych szorstkich bakterii z zabitymi gładkimi pneumokokami może przekształcić szorstkie pneumokoki w zjadliwą formę gładką. Najwyraźniej jakaś substancja – zasada transformująca (innymi słowy geny) – przeszła z bakterii gładkich do szorstkich. Używając enzymów rozkładających specyficzne składniki komórki, Avery i jego zespół wykazali w procesie eliminacji, że to DNA, a nie białko, było zasadą transformującą.
Fizycy również przyczynili się do tej debaty – na przykład Erwin Schr?dinger wysunął koncepcję „aperiodycznego kryształu” w swojej wpływowej książce What is life? Proste kryształy, takie jak chlorek sodu, nie mogą przenosić informacji genetycznej, ponieważ ich jony są ułożone we wzór okresowy. Schr?dinger proponował, że „wzór” życia można znaleźć w związku, którego składniki ułożone są w długą nieregularną sekwencję, która niesie informację w postaci kodu genetycznego, osadzonego w jego strukturze chemicznej. Białka były oczywistym kandydatem na aperiodyczny kryształ, w którym kodem była sekwencja aminokwasów. Teraz, dzięki odkryciom Avery’ego, światło reflektorów padło na DNA jako alternatywny wybór materiału genetycznego.
Badania mające na celu określenie struktury DNA nabrały dodatkowego pilnego charakteru (chociaż ostateczne potwierdzenie jego centralnej roli miało dopiero nadejść, dzięki eksperymentom przeprowadzonym przez Alfreda Hersheya i Marthę Chase w USA na początku lat 50-tych). Austriacki chemik, Erwin Chargaff, był pod wielkim wrażeniem pracy Avery’ego. Napisał on: „Widziałem przed sobą w ciemnych konturach początek gramatyki biologii. Avery dał nam pierwszy tekst nowego języka, a raczej pokazał nam, gdzie go szukać. Postanowiłem szukać tego tekstu”. Chargaff był pionierem chromatografii papierowej kwasów nukleinowych, wykorzystując ją do określenia, ile każdego z nukleotydów składowych zawierała próbka DNA. Szybko obalił hipotezę tetranukleotydową Levene’a. Każdy gatunek różnił się pod względem ilości A, C, G i T – ale w obrębie gatunku proporcje każdego z nich były identyczne, niezależnie od tego, z jakiej tkanki pobrano DNA. To było właśnie to, czego można się było spodziewać dla cząsteczki, która jest biologicznym podpisem dla gatunku.
Jeszcze bardziej znaczące było dalsze odkrycie Chargaffa, że proporcja A w każdej cząsteczce DNA była zawsze równa proporcji T i, podobnie, ilość G i C zawsze się zgadzała – zasada, która stała się znana jako proporcje Chargaffa. Chociaż wydaje się, że sam Chargaff nie wykorzystał bezpośrednio swoich odkryć, idea parowania zasad (A z T, C z G) miała być kluczowym krokiem w tworzeniu trójwymiarowej struktury DNA.
Ostatnia faza rozwiązywania zagadki struktury DNA opierała się na krystalografii rentgenowskiej. Wykorzystanie promieniowania rentgenowskiego do rozwiązywania struktur dużych cząsteczek biologicznych rozpoczęło się od pracy Dorothy Hodgkin nad penicyliną, lizozymem i witaminą B12 oraz pracy Maxa Perutza nad hemoglobiną z lat trzydziestych. Do 1938 roku William Astbury, uczeń Williama Bragga (który wraz z synem Lawrence’em wynalazł tę technikę w 1913 roku) miał rentgenowskie zdjęcia DNA, ale były one trudne do zinterpretowania.
Późne lata 40. zobaczyłem trzy oddzielne grupy intensywnie pracujące nad strukturą DNA. W King’s College w Londynie, Maurice Wilkins był zaintrygowany długimi włóknami, że DNA tworzy, gdy jest wyciągany z roztworów wodnych z prętem szklanym, zastanawiając się, czy oznacza to, że nie było jakieś regularności do jego struktury. Wykonał więcej zdjęć rentgenowskich, używając prowizorycznej aparatury, którą trudno sobie dziś wyobrazić. W 1951 r. do Wilkinsa dołączyła Rosalind Franklin, brytyjska chemiczka fizyczna, która cieszyła się już międzynarodową sławą dzięki pracy nad krystalografią rentgenowską węgli. Rozpoczęła budowę specjalnego laboratorium rentgenowskiego w King’s i wkrótce uzyskała najlepsze jak dotąd obrazy DNA. Te doprowadziły ją do pomysłu, że być może cząsteczka DNA jest zwinięta w kształt spirali.
Linus Pauling, chemik USA, i autor The nature of the chemical bond, zaczął myśleć wzdłuż podobnych linii. W końcu Pauling już wcześniej odkrył motywy helikalne w strukturach białek. Mniej więcej w tym samym czasie Francis Crick – z wykształceniem matematyczno-fizycznym, oraz młodszy James Watson, z doświadczeniem w biologii molekularnej fagów (wirusów infekujących bakterie, wykorzystywanych następnie jako narzędzie laboratoryjne do badań genetycznych), połączyli siły w Laboratorium Cavendisha w Cambridge, zamierzając samodzielnie złamać strukturę DNA, stosując metodę budowania modeli.
Mieli oni pomysł, że struktura DNA musi pozwolić cząsteczce na kopiowanie się podczas podziału komórki, tak aby dokładna replika jej kodu – który, ponownie, był osadzony w strukturze – mogła przejść do każdej nowej komórki. Wizyta Chargaffa w Cavendish w 1952 roku wywołała dalszą myśl, że być może sekwencja zasad może reprezentować geny w kodzie chemicznym. Tymczasem Pauling opublikował pracę na temat struktury DNA, ale zawierała ona poważny błąd (umieścił grupy fosforanowe po wewnętrznej stronie). Wejście tego naukowego giganta do wyścigu pobudziło Cricka i Watsona do większego wysiłku, podczas gdy Wilkins i Franklin nie bardzo się dogadywali i czynili niewielkie postępy z DNA.
Moment przełomowy nastąpił, gdy Wilkins pokazał Watsonowi jedno ze zdjęć Franklina tzw. formy B DNA. Poprzednie badania wykorzystywały formę A, która zawiera mniej wody, co prowadziło do powstawania obrazów trudnych do analizy. Natomiast to zdjęcie było przepięknie proste i wydawało się wyraźnie wskazywać na helikalną strukturę cząsteczki. Jak pisze Watson w swoim słynnym pamiętniku: 'W chwili, gdy zobaczyłem ten obrazek, moje usta się otworzyły, a serce zaczęło mi bić’.
Budowanie modelu – przy użyciu metalowych płytek dla nukleotydów i prętów dla wiązań między nimi – zaczęło się teraz na poważnie. Ale Crick i Watson nie wiedzieli, czy budować ich helisę z fosforanami wewnątrz czy na zewnątrz, i nie byli pewni, jak włączyć pomysły Chargaffa na parowanie zasad.
Ostateczna wskazówka pochodziła od innego gościa w Cavendish, amerykańskiego chemika Jerry’ego Donohue, który zwrócił uwagę na to, jak wiązanie wodorowe pozwala A wiązać się z T i C z G. To pozwala na strukturę podwójnej helisy dla DNA, gdzie dwie nici mają zasady wewnątrz, sparowane, a fosforany na zewnątrz.
Prawdziwe piękno modelu, który zbudowali Crick i Watson polegało na tym, że struktura natychmiast zasugerowała funkcję. Jak zauważyli w swoim artykule w Nature: 'Nie umknęło naszej uwadze, że specyficzne parowanie, które postulowaliśmy, sugeruje możliwy mechanizm kopiowania materiału genetycznego’.
Cząsteczka DNA jest samoreplikująca się (co zostało udowodnione w eksperymentach kilka lat później), ponieważ może rozwinąć się w dwie pojedyncze nici. Każda baza następnie przyciąga swoją komplementarną bazę, poprzez wiązanie wodorowe, tak że dwie nowe podwójne heliksy są montowane.
Franklin i Wilkins nie przegapili całkowicie kredytu na strukturę DNA; ich własne oddzielne prace zostały opublikowane z powrotem do tyłu z Crick i Watson’s w tym samym numerze Nature. Crick, Watson i Wilkins zdobyli nagrodę Nobla za swoją pracę w 1962 roku (Franklin zmarł na raka w wieku 37 lat w 1958 roku).
Odkrycie struktury DNA było początkiem nowej ery w biologii, prowadząc, w ciągu następnych dwóch dekad, do złamania kodu genetycznego i realizacji, że DNA kieruje syntezą białek. Nastąpił również postęp techniczny, taki jak sekwencjonowanie DNA, inżynieria genetyczna i klonowanie genów. Niedawno udało się ustalić kompletne sekwencje wielu organizmów – w tym genomu ludzkiego w czerwcu 2000 roku. Następne 50 lat historii DNA będzie polegało na realizacji praktycznych korzyści z odkrycia Cricka i Watsona dla ludzkości – w przemyśle, medycynie, żywności i rolnictwie.
Źródło: Chemistry in Britain
Acknowledgements
Susan Aldridge
Further Reading
Historyczna praca
W swojej słynnej pracy w Nature ogłaszającej strukturę DNA, Crick i Watson przechodzą od razu do sedna. 'Pragniemy przedstawić radykalnie odmienną strukturę soli kwasu nukleinowego deoksyrybozy’. Często zakłada się, że gdyby ta para miała dziś przedłożyć ten artykuł, należałoby go opatrzyć słowami: „Proponujemy radykalnie odmienną strukturę soli deoksyrybozy”. W rzeczywistości Nature zawsze zachęcało do używania aktywnego, osobistego głosu, w interesie przejrzystości i czytelności. Rzut oka na ostatnie wydanie potwierdza, że nie ma zakazu używania słów „my” lub „nasz”. Ale wielu badaczy pozostaje opornych – wierząc, być może, że głos bierny dodaje autorytetu i obiektywizmu do ich pracy.
Ale chociaż papier DNA jest krótki, żywy i czytelny, nie wywarł wielkiego wpływu, kiedy po raz pierwszy się pojawił. Podczas gdy Sydney Brenner (który w 2002 roku otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w uznaniu jego wkładu w biologię molekularną) natychmiast uznał ją za kamień milowy, wielu innych było albo obojętnych, albo uznało ją za po prostu błędną. Praca Cricka i Watsona została znacznie bardziej nagłośniona w 1968 roku wraz z publikacją żywej i kontrowersyjnej relacji Watsona o jego życiu naukowym, która podobno zainspirowała wielu młodych ludzi do kariery naukowej.