Fyndet av DNA:s struktur rapporterades för 50 år sedan denna månad. Men sagan började många år tidigare, säger Susan Aldridge
Den 25 april 1953 publicerades en artikel i Nature som skulle förändra livsvetenskaperna – från biokemi och jordbruk till medicin och genetik. James Watson och Francis Crick, som då arbetade vid Cambridge University, rapporterade om upptäckten av DNA:s (deoxyribonukleinsyra) struktur – den molekyl som generna består av.
Crick och Watson använde sig av modellbygge för att avslöja DNA:s numera berömda dubbelspiral, men de röntgenkristallografiska uppgifterna från Rosalind Franklin och Maurice Wilkins vid King’s College i London var avgörande för upptäckten. Genombrottet berodde också till stor del på framsteg inom biokemisk teknik, mikroskopi, kemisk analys och teorier om kemiska bindningar som hade utvecklats från mitten av 1800-talet. DNA-strukturens verkliga betydelse underströks ungefär samtidigt av den slutliga uppgörelsen i en decennier lång kontrovers om huruvida DNA eller protein var ”livets molekyl”.
DNA-sagan började 1869 när den schweiziske biokemisten Friedrich Miescher isolerade ett nytt ämne från kärnorna i vita blodkroppar. Forskare var nyligen medvetna om att celler var livets grundläggande enhet och Miescher var intresserad av deras kemiska beståndsdelar. Varje morgon besökte han den lokala kliniken för att hämta smutsiga bandage, för på tiden före antiseptiska medel var dessa blötlagda i pus – en bra källa till vita blodkroppar med sina stora kärnor. Genom att tillsätta alkali sprängdes cellkärnorna och frigjorde sitt innehåll, från vilket Miescher extraherade DNA (som han kallade nuklein).
Analysen av detta nuklein visade att det var en syra som innehöll fosfor, så det passade inte in i någon av de kända grupperna av biologiska molekyler, såsom kolhydrater och proteiner. Miescher beräknade dess formel som C29H49O22N9P3 – en grov underskattning som återspeglar det faktum att DNA är en lång, bräcklig molekyl som lätt fragmenteras. Miescher måste ha använt ett av fragmenten för att bestämma formeln. Nuclein döptes om till nukleinsyra och trots den kemiska nyheten insåg man inte fullt ut dess biologiska betydelse förrän efter ytterligare många årtionden.
Under tiden, tack vare utvecklingen inom mikroskopi, fortsatte cellen att ge sina hemligheter. År 1879 upptäckte den tyske biologen Walther Flemming små trådliknande strukturer som kallades kromatin (senare kallade kromosomer) i cellkärnan – de kallades så eftersom de lätt absorberade färg från de nya färgämnen som användes för att avslöja cellens beståndsdelar. Studier av celldelningen skulle avslöja kromosomernas nyckelroll i arvet – hur de fördubblas innan cellen delas och sedan delar sig i två uppsättningar och tar med sig en ny kopia till varje ”dottercell”.
Fortsatta analyser tydde på att kromosomer innehöll DNA, vilket fick en annan tysk forskare, Oskar Hertwig, att förklara att ”nuklein är den substans som är ansvarig … för överföringen av ärftliga egenskaper”. Alla höll inte med – bland annat Miescher. Kromosomerna innehöll också protein, och biokemisterna hade precis börjat förstå vilka stora, komplexa molekyler proteiner var. DNA:s bräcklighet skulle dölja dess underliggande komplexitet under många år till.
Ironiskt nog var Miescher möjligen den förste som lade fram idén om en kemisk kod som överför biologisk information från en cell till en annan, men han, liksom många andra efter honom, trodde att endast proteiner kunde bära en sådan kod.
För år 1900 visste man att DNA:s grundläggande byggstenar bestod av fosfat, ett socker (som senare visade sig vara deoxyribose) och fyra heterocykliska baser – varav två var puriner medan de andra två var pyrimidiner .
Det var Phoebus Levene, vid Rockefeller Institute i New York och tidigare elev till den ryske kemisten och kompositören Alexander Borodin, som visade att DNA:s beståndsdelar var sammankopplade i ordningen fosfat – socker – bas. Han kallade var och en av dessa enheter för en nukleotid och hävdade att DNA-molekylen bestod av en rad nukleotidenheter som var sammanlänkade med varandra genom fosfatgrupperna, som utgör molekylens ”ryggrad”.
Men ingen uppskattade DNA-molekylens extraordinära längd förrän långt in på 1900-talet. Vi vet nu att DNA:t från en mänsklig cell, om det läggs sida vid sida, skulle utgöra en molekyl som är ungefär 1 meter lång. Även en enkel organism som bakterien E. coli har en DNA-molekyl som är drygt 1 mm lång. Miescher hade naturligtvis inte insett detta, och det gjorde inte heller Levene, som insisterade på att DNA var en relativt liten molekyl – förmodligen cirka 10 nukleotider lång.
Levene var också övertygad om att mängderna av de fyra baserna var desamma i alla DNA-molekyler, oavsett ursprung. Så även när de svenska forskarna Torbj?rn Caspersson och Einar Hammersten på 1930-talet visade att DNA var en polymer fortsatte de flesta att tro på Levene’s ”tetranukleotidhypotes”. Även om DNA innehöll miljontals nukleotider trodde man att de var ordnade på ett monotont och förutsägbart sätt som inte kunde ha något meningsfullt informationsinnehåll. Levenes samtida, den store tyske kemisten Emil Fischer, hade visat att proteiner består av aminosyror som är sammanlänkade i olika sekvenser. Det såg mer och mer ut som om proteinerna bar den genetiska koden, medan DNA spelade en stödjande roll i kromosomerna.
Ett genombrott kom från Oswald Avery, Colin McLeod och Maclyn McCarty, ett team av medicinska mikrobiologer vid Rockefeller Institute i New York. De försökte identifiera karaktären hos den ”transformerande principen” – ett ämne som upptäcktes av den engelske mikrobiologen Fred Griffith 1928. Griffith hade experimenterat med två arter av pneumokocker, de bakterier som orsakar lunginflammation (mycket fruktade på tiden före antibiotika).
En form – känd som den släta formen på grund av sitt utseende när den odlades i petriskålar – var känd för att vara sjukdomsframkallande, medan den andra, ”grova” formen var ofarlig. Till sin förvåning fann Griffith att om man blandade levande grova bakterier med dödade släta pneumokocker kunde man omvandla de grova pneumokockerna till en virulent slät form. Uppenbarligen hade något ämne – den transformerande principen (gener, med andra ord) – övergått från de släta bakterierna till de grova bakterierna. Med hjälp av enzymer som bryter ner specifika cellkomponenter visade Avery och hans team genom en elimineringsprocess att DNA, inte protein, var den transformerande principen.
Fysiker hade också bidragit till denna debatt – till exempel lade Erwin Schr?dinger fram begreppet ”aperiodisk kristall” i sin inflytelserika bok Vad är liv? Enkla kristaller som natriumklorid kan inte bära genetisk information eftersom deras joner är ordnade i ett periodiskt mönster. Schr?dinger föreslog att livets ”blåkopia” skulle finnas i en förening vars beståndsdelar var ordnade i en lång oregelbunden sekvens och som bar information i form av en genetisk kod, inbäddad i sin kemiska struktur. Proteiner hade varit den uppenbara kandidaten för den aperiodiska kristallen, där aminosyrasekvensen utgjorde koden. Nu, i och med Averys upptäckter, riktades strålkastarljuset mot DNA som ett alternativt val för det genetiska materialet.
Forskningen för att fastställa DNA:s struktur blev alltmer brådskande (även om den slutgiltiga bekräftelsen av dess centrala roll ännu inte hade kommit, genom experiment som utfördes av Alfred Hershey och Martha Chase i USA i början av 1950-talet). Den österrikiske kemisten Erwin Chargaff – till exempel – var djupt imponerad av Averys arbete. Han skrev: ”Jag såg framför mig i mörka konturer början på en biologisk grammatik. Avery gav oss den första texten till ett nytt språk, eller snarare visade han oss var vi skulle leta efter det. Jag bestämde mig för att söka efter denna text”. Chargaff var pionjär inom papperskromatografi av nukleinsyror och använde detta för att bestämma hur mycket av var och en av de ingående nukleotiderna som fanns i ett DNA-prov. Han raserade snabbt Levénes tetranukleotidhypotes. Varje art skiljer sig åt i mängden A, C, G och T – men inom arten är proportionerna av var och en av dem identiska, oavsett vilken vävnad DNA:t extraheras från. Det var precis vad man kunde förvänta sig för en molekyl som är den biologiska signaturen för arten.
Ett ännu viktigare var Chargaffs ytterligare upptäckt att andelen A i en DNA-molekyl alltid var lika stor som andelen T och på samma sätt motsvarade mängden G och C alltid varandra – en regel som blev känd som Chargaffs ratios. Även om Chargaff själv inte tycks ha haft någon direkt användning av sina upptäckter, skulle idén om basparning (A med T, C med G) bli ett avgörande steg i arbetet med att sätta ihop DNA:s tredimensionella struktur.
Den sista fasen för att lösa pusslet med DNA-strukturen var beroende av röntgenkristallografi. Användningen av röntgenstrålar för att lösa strukturerna hos stora biologiska molekyler började med Dorothy Hodgkins arbete med penicillin, lysosym och vitamin B12 och Max Perutz arbete med hemoglobin från 1930-talet. År 1938 hade William Astbury, en elev till William Bragg (som tillsammans med sonen Lawrence hade uppfunnit tekniken 1913) röntgenbilder av DNA, men de var svåra att tolka.
I slutet av 1940-talet arbetade tre olika grupper intensivt med DNA-strukturen. Vid King’s College i London fascinerades Maurice Wilkins av de långa fibrer som DNA bildar när det dras ut ur vattniga lösningar med en glasstav, och han undrade om detta innebar att det fanns någon regelbundenhet i dess struktur. Han tog fler röntgenbilder med hjälp av provisoriska apparater som det är svårt att föreställa sig i dag. År 1951 fick Wilkins sällskap av Rosalind Franklin, en brittisk fysikalisk kemist som redan hade ett internationellt rykte för sitt arbete med röntgenkristallografi av kol. Hon började bygga upp ett särskilt röntgenlaboratorium vid King’s och producerade snart de bästa bilderna någonsin av DNA. Dessa ledde henne till idén att DNA-molekylen kanske var upprullad i en spiralform.
Linus Pauling, amerikansk kemist och författare till boken The nature of the chemical bond, började tänka i liknande banor. Pauling hade trots allt redan upptäckt spiralformade motiv i proteinstrukturer. Ungefär vid den här tiden gick Francis Crick – med en bakgrund inom matematik och fysik – och den yngre James Watson, med expertis inom molekylärbiologin för fager (virus som infekterar bakterier och sedan används som laboratorieverktyg för genetiska studier), samman vid Cavendish Laboratory i Cambridge, med avsikt att själva knäcka DNA-strukturen, med hjälp av en modellbyggnadsmetod.
De hade en idé om att DNA:s struktur måste göra det möjligt för molekylen att kopiera sig själv under celldelningen, så att en exakt kopia av dess kod – som återigen var inbäddad i strukturen – kunde överföras till varje ny cell. Ett besök på Cavendish av Chargaff 1952 föranledde ytterligare en tanke om att bassekvensen kanske skulle kunna representera generna i en kemisk kod. Under tiden publicerade Pauling en artikel om DNA-strukturen, men den innehöll ett stort fel (han placerade fosfatgrupperna på insidan). Att denna vetenskapliga jätte kom in i kapplöpningen sporrade Crick och Watson till större ansträngningar, medan Wilkins och Franklin inte riktigt kom överens och gjorde små framsteg med DNA.
Ett avgörande ögonblick kom när Wilkins visade Watson ett av Franklins foton av den så kallade B-formen av DNA. Tidigare studier hade använt A-formen, som innehåller mindre vatten och hade lett till bilder som var svåra att analysera. Denna bild var däremot vackert enkel och tycktes tydligt peka på en spiralformad struktur för molekylen. Som Watson uttrycker det i sina berömda memoarer: ”I samma ögonblick som jag såg bilden föll min mun upp och mitt hjärta började rusa”.
Modellbyggandet – med hjälp av metallplattor för nukleotiderna och stavar för bindningarna mellan dem – började nu på allvar. Men Crick och Watson visste inte om de skulle bygga sin spiral med fosfaterna inuti eller utanför, och de var osäkra på hur de skulle införliva Chargaffs idéer om basparning.
Den sista ledtråden kom från en annan besökare på Cavendish, den amerikanske kemisten Jerry Donohue, som påpekade hur vätebindning gör det möjligt för A att binda sig till T och C till G. Detta gör det möjligt att skapa en dubbelspiralformad struktur för DNA, där de två strängarna har baserna på insidan, parade, och fosfaterna på utsidan.
Den verkliga skönheten i den modell som Crick och Watson byggde var att strukturen omedelbart antydde funktionen. Som de antydde i sin Nature-artikel: ”Det har inte undgått oss att den specifika parning som vi har postulerat tyder på en möjlig kopieringsmekanism för det genetiska materialet”.
DNA-molekylen är självreplikerande (vilket bevisades genom experiment några år senare) eftersom den kan avvecklas till två enskilda strängar. Varje bas drar då till sig sin komplementära bas, genom vätebindning, så att två nya dubbelspiraler sätts samman.
Franklin och Wilkins gick inte helt miste om äran för DNA-strukturen; deras egna separata artiklar publicerades sida vid sida med Crick och Watsons i samma nummer av Nature. Crick, Watson och Wilkins fick Nobelpriset för sitt arbete 1962 (Franklin dog i cancer vid 37 års ålder 1958).
Upptäckten av DNA-strukturen var början på en ny epok inom biologin och ledde under de följande två decennierna till att den genetiska koden knäcktes och att man insåg att DNA styr syntesen av proteiner. Det skedde också tekniska framsteg, t.ex. sekvensering av DNA, genteknik och genkloning. På senare tid har man lyckats lösa de fullständiga sekvenserna av många organismer – inklusive den mänskliga arvsmassan i juni 2000. De kommande 50 åren av DNA-historien kommer att handla om att förverkliga de praktiska fördelarna med Cricks och Watsons upptäckt för mänskligheten – inom industri, medicin, livsmedel och jordbruk.
Källa: I sin berömda Nature-artikel där de tillkännagav DNA:s struktur går Crick och Watson rakt på sak. ”Vi vill lägga fram en radikalt annorlunda struktur för saltet av desoxyribose-nukleinsyra”. Det antas ofta att om paret skulle lämna in denna artikel i dag skulle de vara tvungna att säga ”En radikalt annorlunda struktur för salt av deoxyribose föreslås”. I själva verket har Nature alltid uppmuntrat användningen av den aktiva, personliga rösten, för att öka tydligheten och läsbarheten. En titt i ett av de senaste numren bekräftar att det inte finns något förbud mot orden ”vi” eller ”vår”. Men många forskare är fortfarande motståndare – kanske för att de tror att den passiva rösten ger auktoritet och objektivitet åt deras arbete.
Och även om DNA-artikeln är kort, livlig och lättläst fick den inget stort genomslag när den först publicerades. Medan Sydney Brenner (som delade 2002 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för sitt bidrag till molekylärbiologin) omedelbart bedömde den som en milstolpe, var många andra antingen likgiltiga eller förklarade att den helt enkelt var fel. Cricks och Watsons arbete fick mycket större uppmärksamhet 1968 i och med publiceringen av Watsons livliga och kontroversiella redogörelse för sitt forskarliv, som sägs ha inspirerat många unga människor till en karriär inom vetenskapen.