Nová doba
1953: Stalin zomrel v Moskve, Edmund Hillary a Tenzing Norgay stúpajú na Mount Everest, korunovaná je Alžbeta II., Júnové povstanie v NDR je krvopotne potlačené, v Nemecku sa objavuje prvé vydanie „Playboy“. Americký biológ James Watson a britský fyzik Francis Crick medzitým medzi verejnosťou nepozorovane makajú na modeloch DNA v útulnom Cambridge vo Veľkej Británii. Vo februári Crick nahlas oznámil vo svojej miestnej krčme Eagle, že odhalili tajomstvo všetkého života: DNA, ktorá je nosičom genetického materiálu, je dvojitá špirála v smere hodinových ručičiek. Dvaja vedci zaviedli nesmierne úspešnú éru molekulárnej biológie, ktorej posledný vrchol pred tromi rokmi verejne oslavovali Bill Clinton a Tony Blair spolu s výskumníkmi genómu: dešifrovanie troch miliárd biochemických písmen ľudského genómu.
V polovici minulého storočia už existoval názor, že gény sú prvky, ktoré nesú dedičné vlastnosti života. Ale inak tu bola „bezodná nevedomosť“, ako to napísal genetik Hermann Joseph Muller v roku 1950. Čo je to gén, z čoho sa skladá? Existujú dôkazy, že gény sa nachádzajú v chromozómoch. Chromozómy sú tvorené DNA a bielkovinami. Najskôr väčšina biológov a biochemikov hľadala gény na nesprávnom mieste: v rôznych proteínoch. Pretože nedokázali vysvetliť, ako jednoduchá molekula ako DNA - ktorá sa skladá iba z fosfátu, deoxyribózy cukru a štyroch báz adenínu, cytozínu, guanínu a tymínu - skrýva veľké tajomstvo dedičnosti, základu všetkej rozmanitosti v živote by mala byť.
Na tomto základe vyvinuli Watson a Crick štruktúru, ktorá zodpovedala všetkým známym údajom bez rozporov: pravá dvojitá špirála s priemerom dvoch milióntin milimetra, vnútorné bázy a vonkajší reťazec fosfát-cukor. Vedci mohli dlho dokázať dvojitú špirálu iba nepriamo. Až keď bolo možné syntetizovať a kryštalizovať krátke kúsky DNA s ľubovoľnou požadovanou bázovou sekvenciou a vykonať röntgenové štruktúrne analýzy týchto kryštálov, boli začiatkom 80. rokov - viac ako štvrť storočia po prvom modeli - nájdené nezvratné dôkazy o dvojitej špirále.
Vynikajúca vlastnosť dvojitej špirály spočíva v spárovaní ich základní. Adenín a tymín, rovnako ako cytozín a guanín, ležia oproti sebe a držia sa na mieste prostredníctvom atómov vodíka. Ak sú dva vlákna špirály oddelené, základy príslušného vlákna ukazujú, ako by malo vyzerať opačné vlákno dvojitej špirály. Iba tento princíp, že každý reťazec DNA je negatívnou formou jeho partnerského vlákna, umožňuje kopírovať štruktúru bez toho, aby došlo k jej zničeniu alebo strate informácií. Watson a Crick to už poznali. „Neuniklo našej pozornosti, že konkrétne párovanie, ktoré sme postulovali, zahŕňa možný mechanizmus kopírovania genetického materiálu,“ napísali - pravdepodobne najväčší poklesok v britskom štýle v histórii vedy.
Dvaja vedci však nedokázali poskytnúť dôkazy o mechanizme kopírovania. To si vyhradili Matthew Meselson a Franklin Stahl s ich „najkrajším biologickým experimentom“, ako to komentovala minuloročná nositeľka Nobelovej ceny Sydney Brennerová. V roku 1957 dvaja biológovia preukázali, že dvojitá špirála sa počas replikácie otvára ako zips. Každý z dvoch reťazcov DNA zostáva nedotknutý a slúži ako templát pre syntézu nového, doplnkového reťazca DNA. Tak vzniknú dve dvojité špirály, ktoré obidve pozostávajú zo starého a novo vyrobeného vlákna DNA. Keď sa bunky rozdelia, každá dcérska bunka dostane takúto zmiešanú dvojzávitnicu a neexistuje, ako by sa dalo predpokladať, úplne nová dvojzávitnica DNA v dcérskej bunke a stará molekula v rodičovskej bunke.
Dnes je ťažké si predstaviť, že vedci o tomto dômyselnom vynáleze prírody dlho pochybovali. A to len preto, že nedokázali vysvetliť, ako sa dvojitá špirála dokáže odvinúť pre proces zdvojnásobenia - čo je úspech, ktorý dosahuje celá spoločnosť s rôznymi proteínmi, ako neskôr zistili vedci. Po roku 1953 nastúpila molekulárna biológia rýchlym tempom. Najskôr si vedci položili otázku, ako je možné z informácií uložených v DNA bunkového jadra urobiť bielkovinu - proces, ktorý prebieha mimo bunkového jadra. Zaujímalo ich, ako môžu byť stavebné bloky bielkovín, aminokyseliny, kódované v základnej sekvencii DNA. Okrem toho: Ako by mal vyzerať stavebný návod na bielkoviny - gény, kde by mali začať, kde by mal byť ich koniec? Prekrývajú sa gény alebo sa ukladajú jeden za druhým v DNA? Otázka za otázkou - a napriek tomu boli takmer všetky vyriešené za menej ako desať rokov molekulárnej biológie. Vedci identifikovali
• messenger RNA, plán DNA, ktorý migruje z bunkového jadra do bunkovej tekutiny a používa sa tam ako stavebný manuál pre syntézu proteínov,
• tRNA (prenosová RNA), ktorá dodáva aminokyseliny potrebné na produkciu bielkovín a
Už v roku 1954 ruský fyzik George Gamow predpokladal, že DNA musí mať kód. Spolu s Francisom Crickom vyvinul myšlienku, že kombinácie troch báz by každá mohla predstavovať jednu aminokyselinu. Takže bolo možné 43 alebo 64 rôznych kombinácií troch, takzvaných kodónov. Nakoniec bol v roku 1965 známy význam všetkých kodónov. Žiadne nie je nevyužité:
• 60 kodónov programuje aminokyseliny, niektoré aminokyseliny sú kódované niekoľkými kodónmi, iné iba jedným.
• Zvyšné 4 kodóny sa ukázali ako signál začiatku a tri zastávky, ktoré označujú začiatok a koniec génu.
Na základe svojich nových údajov vedci čoskoro sformulovali v učebniciach tézu, ktorá je dodnes „centrálnou dogmou genetiky“: „Gén vytvára mediátorovú RNA, mediátorová RNA vytvára proteín.“ Táto myšlienka však bola pravdivá príliš ľahké, ako sa ukázalo v priebehu rokov. Vedci našli množstvo kuriozít, najmä v genómoch vyšších organizmov:
• gény skákajúce okolo v genóme, • gény, ktoré sa opakujú mnohokrát a
• Gény, ktorých kódujúce časti - výskumníkmi nazývané exóny - sú opakovane prerušované nekódujúcimi sekvenciami - intrónmi. Aj keď celá génová sekvencia produkuje mediálnu RNA od začiatku do konca, intróny sú z nej vystrihnuté.
Vedcom čakala ešte dlhá cesta, kým prišli k týmto zisteniam, ktoré sa začali koncom 60. rokov objavením reštrikčných enzýmov Švajčiarom Wernerom Arberom. Tieto enzýmy fungujú ako molekulárne nožnice DNA. Rozoznávajú určité sekvencie DNA a v tomto okamihu ich štiepia. Pomocou týchto enzýmov bolo možné cielene rozrezať DNA, rekombinovať ju, vložiť do baktérií a zistiť, ako na ňu reagujú mikróby. Vlastnosti organizmov sa stali manipulovateľnými, umožnilo sa genetické inžinierstvo.
Za posledných 20 rokov sa pri výskume DNA stalo neuveriteľné: vedci sa nielen naučili vyrábať geneticky modifikované baktérie, ale tiež vytvárajú nové rastliny a zvieratá s upravenými génmi. Tieto organizmy pomohli vyriešiť biologické a lekárske hádanky a stali sa hlavným ekonomickým faktorom. V roku 1976 sa spoločnosť Genentech stala prvou spoločnosťou, ktorá sa živila genetickým inžinierstvom - dnes sú ich tisíce. Už v roku 1977 spoločnosť Genentech uviedla, že prvý ľudský proteín sa tu produkoval v baktériách: somatostatín, proteín, ktorý inhibuje rastové hormóny. Začal sa vek priemyselného genetického inžinierstva. V súčasnosti pomáha ľudský inzulín geneticky upravený státisícom diabetikov každý deň. Genetické inžinierstvo sa dostalo aj do poľnohospodárstva. Aj keď diskusie o tom, či sú geneticky modifikované plodiny ekologicky neškodné, stále prebiehajú intenzívne a obmedzujúce zákony v Európe obmedzujú obchod s takýmito rastlinami a potravinami z nich vyrobenými, na americkom kontinente rastú geneticky modifikované rastliny kukurice, sóje a repky olejnej. Milióny hektárov ornej pôdy.
A konečne boli 90. roky časom pre vývoj nových technológií, automatizáciu, genomický výskum a lekársku molekulárnu biológiu. Hlásenia o génoch, ktoré spôsobujú dedičné choroby alebo súvisia s bežnými chorobami, ako je cukrovka, vysoký krvný tlak alebo obezita, sa javili ako vyslovene inflačné. Tieto poznatky sa doteraz využívali hlavne na lepšie diagnostické metódy, napríklad na zisťovanie dedičných chorôb. Nové terapie sa očakávajú v priebehu niekoľkých nasledujúcich desaťročí.
Pred dobrými desiatimi rokmi bolo stále ľahké dokončiť niekoľko dizertačných prác z izolácie, sekvenovania a funkčnej analýzy jedného génu. Dnes sa dajú biočipy použiť na testovanie nielen funkcie génu, ale aj funkcie tisícov génov v jednom experimente. A sekvenovanie celých genómov mikróbov trvá vďaka automatizovaným systémom a novému softvéru iba pár dní. Je pravda, že sekvencie genómu priamo nerozumejú tomu, ako sa organizmus vyvíja alebo ako funguje. Ich poznanie je však stále veľmi užitočné. Pri porovnaní sekvencií príbuzných organizmov sa napríklad ukázalo, že z nich možno vyčítať priebeh evolúcie.
DNA je archív príbuzných: Podobnosti a rozdiely v genetických informáciách odrážajú nielen príbuzenstvo dvoch jednotlivcov, ale aj príbuzenstvo rôznych druhov. Už v roku 1949 genetický výskumník Max Delbrück s obrovskou predvídavosťou predpovedal: „Každá živá bunka nesie skúsenosti s experimentmi, ktoré jej predkovia uskutočňovali počas miliardy rokov.“ “
„Výpočet DNA“, ako sa to v modernej nemčine nazýva, je komplikovaný a pred vývojom strojov na výpočet DNA treba určite urobiť veľa práce. Ale ani elementárne biologické procesy, ako je replikácia DNA a regulácia syntézy bielkovín, neboli úplne preskúmané. Aj štruktúra našich chromozómov stále drží tajomstvá.
Aj po 50 rokoch od svojho objavenia je dvojitá špirála v centre pozornosti verejnosti. Aj keď na najvyššej hore sveta pobehovalo nespočetné množstvo dobrodruhov, už sa nad Playboyom nerozčuľujte a málokedy si spomeniete na Stalina alebo Churchilla, dvojitá špirála je prítomná viac ako kedykoľvek predtým. Nielen vo vede, ale aj v umení a ekonomike a dokonca aj v politike - minimálne vo Veľkej Británii a USA.
Nemeckí politici však neslávia výročie DNA. Hans Lehrach nie je prekvapený: „Nemeckí vedci dešifrovali časť ľudského genómu, ale keď Clinton a Blair verejne oznámili výsledok tohto medzinárodného spoločného úsilia, nemecký kancelár tam tiež nebol.“
• Pred päťdesiatimi rokmi v anglickom Cambridgei Francis Crick, James Watson, Rosalind Franklin a Maurice Wilkins objavili, ako vyzerá DNA, najväčšia molekula na svete.
• Teória dvojitej špirály DNA bola pôvodne kontroverzná, ale mnohých vedcov čoskoro nadchla.
• S dekódovaním štruktúry DNA sa získal počiatočný záber pre modernú molekulárnu biológiu, a teda pre komerčné využitie genetických informácií.