Povestea ADN-ului

Descoperirea structurii ADN-ului a fost anunțată în urmă cu 50 de ani luna aceasta. Dar saga a început cu mulți ani înainte, spune Susan Aldridge

La 25 aprilie 1953, în revista Nature a apărut un articol care avea să transforme științele vieții – de la biochimie și agricultură, la medicină și genetică. James Watson și Francis Crick, pe atunci la Universitatea Cambridge, au raportat descoperirea structurii ADN (acidul dezoxiribonucleic) – molecula din care sunt alcătuite genele.

Crick și Watson au folosit construirea de modele pentru a dezvălui acum faimoasa dublă elice a ADN-ului, dar datele cristalografice cu raze X ale lui Rosalind Franklin și Maurice Wilkins de la King’s College, Londra, au fost cruciale pentru descoperire. De asemenea, descoperirea s-a datorat în mare măsură progreselor în tehnicile biochimice, microscopiei, analizei chimice și teoriilor privind legăturile chimice care s-au dezvoltat de la mijlocul secolului al XIX-lea. Adevărata importanță a structurii ADN a fost subliniată cam în aceeași perioadă de soluționarea definitivă a unei controverse care a durat zeci de ani pentru a stabili dacă „molecula vieții” era ADN-ul sau proteina.

Saga ADN-ului a început în 1869, când biochimistul elvețian Friedrich Miescher a izolat o nouă substanță din nucleele celulelor albe din sânge. Cercetătorii știau de curând că celulele erau unitatea de bază a vieții, iar Miescher era interesat de componentele chimice ale acestora. În fiecare dimineață, el suna la clinica locală pentru a ridica bandaje murdare, deoarece, în zilele de dinaintea antisepticelor, acestea erau îmbibate în puroi – o sursă bună de celule albe din sânge cu nucleele lor mari. Adăugarea de alcalin făcea ca nucleele celulelor să se spargă, eliberând conținutul lor, din care Miescher a extras ADN (pe care l-a numit nucleină).

Analiza acestei nucleine a arătat că era un acid, care conținea fosfor, deci nu se încadra în niciuna dintre grupele cunoscute de molecule biologice, cum ar fi carbohidrații și proteinele. Miescher a calculat formula sa ca fiind C29H49O22N9P3 – o subestimare grosolană, reflectând faptul că ADN-ul este o moleculă lungă și fragilă care se fragmentează cu ușurință. Miescher trebuie să fi folosit unul dintre fragmente pentru determinarea formulei. Nucleina a fost redenumită acid nucleic și, în ciuda noutății sale chimice, semnificația sa biologică nu a fost pe deplin conștientizată decât după încă multe decenii.

Între timp, datorită dezvoltărilor în domeniul microscopiei, celula a continuat să-și dezvăluie secretele. În 1879, biologul german Walther Flemming a descoperit mici structuri sub formă de fire numite cromatină (cunoscute mai târziu sub numele de cromozomi) în interiorul nucleului – așa numite pentru că absorbeau cu ușurință culoarea noilor coloranți folosiți pentru a dezvălui componentele celulare. Studiile asupra diviziunii celulare aveau să dezvăluie rolul cheie jucat de cromozomi în moștenire – cum se dublează înainte ca celula să se dividă și apoi se împart în două seturi, preluând o nouă copie în fiecare celulă „fiică”.

Analizele ulterioare au sugerat că cromozomii conțin ADN, ceea ce l-a determinat pe un alt cercetător german, Oskar Hertwig, să declare că „nucleina este substanța care este responsabilă … pentru transmiterea caracteristicilor ereditare”. Nu toată lumea a fost de acord – Miescher, de exemplu. Cromozomii conțineau, de asemenea, proteine, iar biochimiștii abia începeau să aprecieze ce molecule mari și complexe erau proteinele. Fragilitatea ADN-ului avea să-i ascundă complexitatea subiacentă pentru încă mulți ani.

În mod ironic, Miescher a fost probabil primul care a avansat ideea unui cod chimic care transmite informații biologice de la o celulă la alta, dar el, ca și mulți alții după el, credea că numai proteinele erau capabile să transporte un astfel de cod.

Până în 1900, se știa că elementele de bază ale ADN-ului erau fosfatul, un zahăr (care mai târziu s-a dovedit a fi dezoxiriboza) și patru baze heterociclice – dintre care două erau purine, în timp ce celelalte două erau pirimidine .

Phoebus Levene, de la Institutul Rockefeller, New York, și fost student al chimistului și compozitorului rus Alexander Borodin, a fost cel care a arătat că componentele ADN-ului erau legate în ordinea fosfat – zahăr – bază. El a numit fiecare dintre aceste unități o nucleotidă, argumentând că molecula de ADN este formată dintr-un șir de unități de nucleotide legate între ele prin intermediul grupărilor fosfat, care reprezintă „coloana vertebrală” a moleculei.

Dar nimeni nu a apreciat lungimea extraordinară a moleculei de ADN până la o bună parte a secolului XX. Acum știm că ADN-ul dintr-o celulă umană ar forma, dacă ar fi pus cap la cap, o moleculă de aproximativ 1 m lungime. Chiar și un organism simplu precum bacteria E. coli are o moleculă de ADN cu o lungime de puțin peste 1 mm. Miescher nu și-a dat seama de acest lucru, desigur, și nici Levene, care a insistat că ADN-ul este o moleculă relativ mică – probabil cu o lungime de aproximativ 10 nucleotide.

Levene era, de asemenea, convins că cantitățile celor patru baze erau aceleași în toate moleculele de ADN, indiferent de originea lor. Astfel, chiar și atunci când cercetătorii suedezi Torbjorn Caspersson și Einar Hammersten au demonstrat, în anii 1930, că ADN-ul era un polimer, majoritatea oamenilor au continuat să creadă în „ipoteza tetranucleotidelor” a lui Levene. Chiar dacă ADN-ul conținea milioane de nucleotide, se credea că acestea erau aranjate într-un mod monoton și previzibil, care nu putea avea un conținut informațional semnificativ. Contemporanul lui Levene, marele chimist german Emil Fischer, demonstrase că proteinele sunt alcătuite din aminoacizi, legați între ei în diverse secvențe. Se părea din ce în ce mai mult că proteinele purtau codul genetic, în timp ce ADN-ul juca un rol de sprijin în cromozomi.

O descoperire importantă a fost făcută de Oswald Avery, Colin McLeod și Maclyn McCarty, o echipă de microbiologi medicali de la Institutul Rockefeller din New York. Aceștia încercau să identifice natura „principiului transformator” – o substanță descoperită de microbiologul englez Fred Griffith, în 1928. Griffith făcuse experimente cu două specii de pneumococcus, bacteria care provoacă pneumonia (foarte temută în zilele de dinaintea antibioticelor).

Se știa că una dintre forme – cunoscută sub numele de formă netedă după aspectul său atunci când era cultivată în plăci Petri – era patogenă, în timp ce a doua formă, „aspră”, era inofensivă. Spre surprinderea sa, Griffith a descoperit că amestecarea bacteriilor rugoase vii cu pneumococi netezi uciși putea transforma pneumococul rugos într-o formă netedă virulentă. Evident, o anumită substanță – principiul transformator (cu alte cuvinte, genele) – trecuse de la bacteriile netede la cele aspre. Folosind enzime care descompuneau componente specifice ale celulei, Avery și echipa sa au demonstrat, printr-un proces de eliminare, că ADN-ul, și nu proteinele, era principiul transformator.

Fizicienii au contribuit, de asemenea, la această dezbatere – de exemplu, Erwin Schrödinger a prezentat conceptul de „cristal aperiodic” în influenta sa carte „Ce este viața?”. Cristalele simple, cum ar fi clorura de sodiu, nu pot fi purtătoare de informație genetică, deoarece ionii lor sunt aranjați după un model periodic. Schrödinger propunea că „schița” vieții ar putea fi găsită într-un compus ale cărui componente sunt aranjate într-o secvență lungă și neregulată, care poartă informații sub forma unui cod genetic, încorporat în structura sa chimică. Proteinele au fost candidatul evident pentru cristalul aperiodic, secvența de aminoacizi furnizând codul. Acum, odată cu descoperirile lui Avery, lumina reflectoarelor a căzut asupra ADN-ului ca o alegere alternativă pentru materialul genetic.

Cercetările pentru a determina structura ADN-ului au căpătat un plus de urgență (deși confirmarea finală a rolului său central trebuia încă să vină, în urma experimentelor efectuate de Alfred Hershey și Martha Chase în SUA la începutul anilor 1950). Chimistul austriac Erwin Chargaff – de pildă – a fost profund impresionat de munca lui Avery. El a scris: „Am văzut în fața mea, în contururi întunecate, începutul unei gramatici a biologiei. Avery ne-a oferit primul text al unui nou limbaj sau, mai degrabă, ne-a arătat unde să îl căutăm. M-am hotărât să caut acest text”. Chargaff a fost un pionier al cromatografiei pe hârtie a acizilor nucleici, folosindu-se de aceasta pentru a determina cât de mult din fiecare dintre nucleotidele componente era conținută într-o probă de ADN. El a demolat rapid ipoteza tetranucleotidei lui Levene. Fiecare specie diferă în ceea ce privește cantitatea de A, C, G și T – dar în cadrul speciei, proporțiile fiecăruia sunt identice, indiferent de țesutul din care se extrage ADN-ul. Era exact ceea ce ar fi fost de așteptat pentru o moleculă care reprezintă semnătura biologică a speciei.

Chiar și mai semnificativă a fost descoperirea ulterioară a lui Chargaff că proporția de A în orice moleculă de ADN era întotdeauna egală cu proporția de T și, la fel, cantitatea de G și C corespundea întotdeauna – o regulă care a devenit cunoscută sub numele de raporturile lui Chargaff. Deși Chargaff însuși pare să nu fi folosit prea mult în mod direct descoperirile sale, ideea de împerechere a bazelor (A cu T, C cu G) avea să fie un pas crucial în reconstituirea structurii tridimensionale a ADN-ului.

Faza finală a rezolvării puzzle-ului structurii ADN s-a bazat pe cristalografia cu raze X. Utilizarea razelor X pentru a rezolva structurile moleculelor biologice mari a început odată cu lucrările lui Dorothy Hodgkin asupra penicilinei, lizozimei și vitaminei B12, precum și cu lucrările lui Max Perutz asupra hemoglobinei din anii 1930. În 1938, William Astbury, un student al lui William Bragg (care, împreună cu fiul său Lawrence, inventase tehnica în 1913), avea imagini cu raze X ale ADN-ului, dar acestea erau greu de interpretat.

La sfârșitul anilor 1940, trei grupuri separate au lucrat intensiv la structura ADN-ului. La King’s College, Londra, Maurice Wilkins a fost intrigat de fibrele lungi pe care ADN-ul le formează atunci când este scos din soluții apoase cu o tijă de sticlă, întrebându-se dacă acest lucru înseamnă că există o anumită regularitate în structura sa. El a realizat mai multe imagini cu raze X, folosind un aparat improvizat, greu de imaginat în zilele noastre. În 1951, lui Wilkins i s-a alăturat Rosalind Franklin, o fizico-chimistă britanică care avea deja o reputație internațională pentru lucrările sale privind cristalografia cu raze X a cărbunilor. Aceasta s-a apucat să construiască un laborator de raze X la King’s și, în scurt timp, a produs cele mai bune imagini ale ADN-ului. Acestea au condus-o la ideea că, poate, molecula de ADN era înfășurată într-o formă elicoidală.

Linus Pauling, chimistul american și autorul cărții The nature of the chemical bond (Natura legăturii chimice), a început să se gândească la lucruri similare. La urma urmei, Pauling descoperise deja motive elicoidale în structurile proteinelor. Cam în această perioadă, Francis Crick – cu o pregătire în matematică și fizică, și mai tânărul James Watson, cu experiență în biologia moleculară a fagilor (viruși care infectează bacteriile, utilizați apoi ca instrument de laborator pentru studii genetice), și-au unit forțele la Laboratorul Cavendish din Cambridge, cu intenția de a descifra ei înșiși structura ADN-ului, folosind o abordare bazată pe construirea de modele.

Aceștia au avut ideea că structura ADN-ului trebuia să permită moleculei să se copieze în timpul diviziunii celulare, astfel încât o replică exactă a codului său – care, din nou, era încorporat în structură – să poată trece în fiecare nouă celulă. O vizită a lui Chargaff la Cavendish în 1952 a dus la gândul că, poate, secvența de baze ar putea reprezenta genele într-un cod chimic. Între timp, Pauling a publicat o lucrare despre structura ADN-ului, dar aceasta conținea o eroare majoră (a pus grupările fosfat în interior). Intrarea în cursă a acestui gigant științific i-a stimulat pe Crick și Watson să depună mai multe eforturi, în timp ce Wilkins și Franklin nu se înțelegeau prea bine și făceau puține progrese cu ADN-ul.

Un moment seminal a avut loc când Wilkins i-a arătat lui Watson una dintre fotografiile lui Franklin a așa-numitei forme B a ADN-ului. Studiile anterioare folosiseră forma A, care conține mai puțină apă și care dusese la imagini greu de analizat. Această imagine, în schimb, era minunat de simplă și părea să indice în mod clar o structură elicoidală a moleculei. După cum spune Watson în faimoasele sale memorii: „În clipa în care am văzut imaginea, am rămas cu gura căscată și inima a început să-mi bată cu putere”.

Constituirea modelului – folosind plăci metalice pentru nucleotide și tije pentru legăturile dintre ele – a început acum cu adevărat. Dar Crick și Watson nu știau dacă să își construiască helixul cu fosfații în interior sau în exterior și nu erau siguri cum să încorporeze ideile lui Chargaff privind împerecherea bazelor.

Ultimul indiciu a venit de la un alt vizitator la Cavendish, chimistul american Jerry Donohue, care a arătat cum legătura de hidrogen permite ca A să se lege de T și C de G. Acest lucru permite o structură dublu elicoidală pentru ADN, în care cele două șiruri au bazele în interior, împerecheate, și fosfații în exterior.

Adevărata frumusețe a modelului pe care Crick și Watson l-au construit a fost că structura a sugerat imediat funcția. Așa cum au sugerat, în lucrarea lor din Nature: „Nu ne-a scăpat faptul că împerecherea specifică pe care am postulat-o sugerează un posibil mecanism de copiere a materialului genetic”.

Molcula de ADN se autoreplică (așa cum s-a dovedit prin experimente câțiva ani mai târziu) deoarece se poate desface în două șiruri simple. Fiecare bază atrage apoi baza sa complementară, prin legătură de hidrogen, astfel încât se asamblează două noi elice duble.

Franklin și Wilkins nu au pierdut complet creditul pentru structura ADN-ului; propriile lor lucrări separate au fost publicate spate în spate cu cele ale lui Crick și Watson în același număr al revistei Nature. Crick, Watson și Wilkins au continuat să câștige premiul Nobel pentru munca lor în 1962 (Franklin a murit de cancer la vârsta de 37 de ani în 1958).

Descoperirea structurii ADN-ului a fost începutul unei noi ere în biologie, conducând, în următoarele două decenii, la descifrarea codului genetic și la realizarea faptului că ADN-ul dirijează sinteza proteinelor. Au existat și progrese tehnice, cum ar fi secvențierea ADN, ingineria genetică și clonarea genelor. Mai recent, secvențele complete ale multor organisme au fost rezolvate – inclusiv genomul uman în iunie 2000. Următorii 50 de ani ai poveștii ADN-ului vor consta în realizarea beneficiilor practice ale descoperirii lui Crick și Watson pentru omenire – în industrie, medicină, alimentație și agricultură.

Sursa: Chemistry in Britain

Mulțumiri

Susan Aldridge

Lecturi suplimentare