Vrtuľa života - najväčší vedecký objav dvadsiateho storočia
Obraz dvojitej špirály DNA - zobrazený na obálkach školských učebníc biológie a na obaloch väčšiny kníh o genetike - sa nám stal natoľko známym, že sa odvtedy zdá byť svetu známa. Lenže uplynulo iba 60 rokov - tento rok sa to deje - odkedy sa toto vedecké tajomstvo - štruktúra molekuly DNA - rozlúštilo, čo bol na istý čas akýsi „svätý grál“ biochemického výskumu.
Objaveniu tejto kompozície predchádzala dlhá vedecká polemika, roky myšlienkový boj a úspech sa staval krok za krokom na predchádzajúcich znalostiach chémie, biológie a fyziky, prechádzajúcich chybami, spormi, sklamaním, až po dosiahnutie, Na záver apoteóza: okamih slávy, keď si Francis Crick a James Watson uvedomili, že model, ktorý si predstavovali, spĺňal všetky požiadavky a možno ich považovať za správny a pravdivý obraz štruktúry nukleových kyselín. Bolo to roku 1953.
Samozrejme, nie sú jediní, ktorí sa usilovne usilovali o dosiahnutie tohto úspechu. Sú to tí, ktorí zhromaždili doteraz získané informácie z vlastného výskumu a údaje získané v desaťročiach štúdií vedcami z dvoch kontinentov, ktorí mali vynikajúcu intuíciu, ako sú tieto údaje kombinované pre vytvoriť správny model.
Existuje veľa ľudí, ktorí bez toho, aby museli nevyhnutne poznať štruktúru DNA, prispeli prostredníctvom svojich štúdií chémie, biológie a fyziky k zhromažďovaniu základných údajov. Boli ďalší, ktorí sa dokonca pokúsili zistiť štruktúru DNA a navrhli modely, ale ukázalo sa, že sa mýlili. Takto sa píšu dejiny vedy.
V každom prípade, okrem Jamesa Watsona a Francisa Cricka, ktorí uskutočnili svoj výskum v Cavendishovom laboratóriu v Cambridge, boli tí, ktorí svojím výskumom najviac prispeli k ich úspechu, Maurice Wilkins a Rosalind Franklin, ktorí pracovali, v tom období na King's College v Londýne. Títo štyria vedci sú tí, ktorí vďačia väčšinou za zásluhy za vyriešenie tejto hádanky biológie. Maurice Wilkins sa v skutočnosti delil s Crickom a Watsonom o Nobelovu cenu za medicínu/fyziológiu, ktorá bola za tento objav udelená v roku 1962. Rosalind Franklinová, ktorá rozhodujúcim spôsobom prispela k úspechu, nebola jednou z ocenených z jednoduchého a tragického dôvodu: zomrela pred udelením ceny v roku 1958, iba ako 37-ročná, na rakovinu.
Zo 4 vedcov, ktorí sa prevažne podieľajú na objavovaní štruktúry DNA, je stále nažive iba James Watson. Má 84 rokov. Po objavení štruktúry nukleových kyselín sa vrátil do Spojených štátov a pracoval v niekoľkých inštitúciách zaoberajúcich sa výskumom v oblasti genetiky, v ktorom si vo svojich necelých 25 rokoch otvoril tak sľubnú cestu. Okrem iného 2 roky viedol Projekt ľudského genómu, ktorý bol druhou osobou, ktorej genóm bol kompletne sekvenovaný. Je jedným z dekanov molekulárnej genetiky a s najväčšou pravdepodobnosťou sa zaoberal genetikou viac ako ktorýkoľvek iný vedec pôsobiaci v tejto oblasti dnes.
Mnoho anekdotických detailov histórie objavu dvojitej špirály (termín, ktorý opísal štruktúru DNA), je známych z knihy, ktorú napísal a vydal v roku 1968: The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA (publikovaná tiež v roku 1970 s názvom Špirála života), osobný záznam - samozrejme subjektívny, ale nemenej dôležitý - o slede udalostí, ktoré viedli k objaveniu štruktúry DNA a kontextu, v ktorom k nej došlo. Život na akademickej pôde v Cambridgi, obavy - profesionálne i osobné - vedcov, ktorí tam pracovali, ako aj boj myšlienok medzi tými, ktorí sa podieľajú na dešifrovaní štruktúry DNA, sú zachytené živo a často dokonca zábavne, hoci kniha bola a kritizovaný za niektoré diskriminačné akcenty - najmä voči Rosalind Franklinovej - vyjadrenie sexizmu, ktorý v tom čase prevládal v anglosaskom univerzitnom prostredí.
Francis Crick a Maurice Wilkins, obaja narodení v rovnakom roku 1916, obaja zomreli v roku 2004.
DNA (kyselina deoxyribonukleová) je hmotnou podporou dedičných informácií: gény sú tvorené DNA. Molekula DNA je polynukleotid, ktorý sa skladá zo základných jednotiek nazývaných nukleotidy a každý nukleotid sa skladá z troch prvkov:
- dusíkatú bázu, ktorou môže byť adenín (A), cytozín (C), tymín (T) alebo guanín (G).
- molekula v uhľohydrátu (cukor) nazývaná deoxyribóza
- jedna alebo viac fosfátových skupín
Lineárna sekvencia nukleotidov - poradie, v akom sú navlečené - je primárnou štruktúrou DNA. Ale ako každá zložitá molekula, aj DNA má niekoľko úrovní štruktúry. Primárna štruktúra úplne nepopisuje zloženie molekuly, ale aby sa dala úplne charakterizovať, musia sa dešifrovať ďalšie úrovne štruktúry.
V živej bunke existuje DNA predovšetkým v dvojvláknovej forme (dva reťazce alebo reťazce nukleotidov) a sekundárna štruktúra je daná spôsobom, akým sa tieto dva reťazce navzájom spájajú, a to vodíkovými väzbami medzi dusíkatými pármi báz. na jednej retiazke a na druhej. Dusíkaté zásady sa nemôžu viazať rovnako, ale iba v určitých kombináciách: adenín sa vždy viaže na tymín (A-T) a cytozín - na guanín (C-G). Existujú dva aspekty, ktoré objasnili Crick a Watson vo svojom modeli: koľko vlákien má DNA a ako sa navzájom spájajú.
Hlavným aspektom, ku ktorému prispeli štyria spomínaní vedci, bola terciárna štruktúra DNA, tj trojrozmerný tvar špecifický pre molekulu. Dnes vieme, že DNA je vo forme „dvojitej špirály“, ako to nazval Watson, pričom sa tieto dve vlákna krútili okolo seba v určitých uhloch a s presnými vzdialenosťami medzi špirálami špirálovej štruktúry. Crick a Watson sa preslávili objavením tejto terciárnej štruktúry.
A nakoniec, DNA má tiež kvartérnu štruktúru, vyšší stupeň organizácie, ktorý sa vzťahuje na interakcie DNA s inými molekulami, ktoré jej umožňujú vykonávať jej špecifické funkcie. V bunke je DNA spojená s molekulami bielkovín, ktoré sa nazývajú históny, a vytvára tak kompaktnejšiu štruktúru, ktorá sa nazýva chromatín. V tejto forme sa DNA nachádza v jadre buniek.
Celkovo molekula DNA vyzerá ako špirálovito skrútená stupnica, v ktorej sú strany tvorené deoxyribóza + fosfátovými skupinami a kroky - z párov dusíkatých báz, A-T a C-G.
Dnes vieme všetky tieto veci, ale predstavte si, že pred 60 rokmi neboli známe. Nikto nemohol opísať DNA ani v súhrnnej forme, ktorú som popísal vyššie. Molekula DNA bola príliš malá štruktúra na to, aby ju bolo možné vidieť pod mikroskopom, takže bolo treba všetko odvodiť nepriamo, zložitými výpočtami, interpretáciou výsledkov konkrétnych analýz, často vyvrátenými a zriedka potvrdenými predpokladmi a transpozíciou v obrovskom rozsahu. obrazu molekuly DNA, ako si to vedci predstavovali.
Je tiež potrebné povedať, že ako celok bola molekulárna štruktúra génu v tom čase veľmi neznámou. Dnes veľa ľudí vie, že gény sú tvorené nukleovými kyselinami, ale v tom čase túto myšlienku neprijala ani celá vedecká komunita. Mnoho vedcov verilo, že gény sú tvorené z proteínov schopných sebareplikácie, zatiaľ čo DNA bola proteínom prisudzovaná iba štrukturálna podporná úloha. Crick-Watsonov model si posvietil aj na to, pretože poskytol argumenty na podporu myšlienky, že gény sú tvorené nukleovými kyselinami.
Vrtuľa, ktorá by zmenila svet
Objav štruktúry DNA je založený na niekoľkých základných prvkoch, z ktorých každý poskytoval určité vedomosti potrebné na to, aby sme konečne pochopili, ako bola táto molekula života zložená.
Už nejaký čas je známe, že chemické štúdie zahŕňajú deoxyribózu, fosfátové skupiny a dusíkaté zásady: tymín, adenín, cytozín a guanín. Tiež sa zistilo, že existuje určitý pomer proporcionality medzi množstvami týchto báz: množstvo cytozínu sa rovná množstvu guanínu a tymínu - adenínu. (Chemik Erwin Chargaff to objavil, takže sa tento jav nazýva Chargaffove pravidlá.) Čo to mohlo znamenať, stále nebolo známe.
Ďalším kľúčovým prvkom bola práca Maurice Wilkinsa a Rosalind Franklinovej, ktorí roky študovali röntgenovú kryštalografiu aplikovanú na rôzne molekulárne štruktúry a röntgenové difrakčné obrazy DNA, ktoré vytvorili, viedli k myšlienke, že môže to byť špirálovitá štruktúra.
V tom čase plávala vo vzduchu myšlienka špirálovej štruktúry zložitých molekúl; Nie je to tak dávno, čo slávny americký chemik Linus Pauling, ktorý pôsobil na Kalifornskej univerzite (Cal Tech), zistil, že veľa proteínov má takú štruktúru, ktorá sa nazýva alfa-helix, čo viedlo k domnienke, že iné zložité molekuly môžu mať takáto konfigurácia.
Toto bola etapa poznania, keď sa Fracis Crick a James Watson rozhodli študovať štruktúru DNA.
Štúdie o štruktúre molekúl sa dnes robia pomocou veľmi zložitých počítačových programov, ktoré skutočne vykresľujú trojrozmerné molekuly, potom ich krútia a krútia vo všetkých polohách, čo veľmi pomáha pochopiť ich konfiguráciu. V 50. rokoch však nič také neexistovalo. My, zvyknutí na účasť počítačov na vedeckom výskume, je ťažké uveriť, že Watson a Crick objavili štruktúru DNA ručným zostavením trojrozmerných modelov drôtov a kovových platní, ktoré predstavovali fosfátové skupiny, deoxyribózu, dusíkaté bázy a ich väzby. Doštičky a drôty boli narezané v mierke, aby zodpovedali určitým rozmerom atómových zhlukov a dĺžke chemických a vodíkových väzieb v štruktúre DNA, ako sa odvodilo z chemických údajov a rôntgenových difrakčných fotografií. Watson a Crick celé dni stavali také modely, umiestňovali platne do určitých uhlov a starostlivo merali vzdialenosti, aby všetko do seba zapadalo. A pred úspechom bolo veľa sklamaní.
Dnes, keď vieme, z čoho sa skladá DNA, sa to samozrejme zdá byť jednoduché, ale pamätajte, že vtedy nikto nevedel, ako tá komplikovaná molekula vyzerá. Bolo podozrenie, že má tvar špirály, ale koľko reťazí ju tvorilo, nebolo zo začiatku známe.
V jednom okamihu, v roku 1951, zverejnil slávny Linus Pauling z Cal Tech (inštitúcia, ktorej konkurovalo Cavendishovo laboratórium, každá skupina vedcov dúfajúca v objavenie prvej štruktúry DNA a získanie Nobelovej ceny za úspech) v r. ktorý tvrdil, že objavil tajomstvo: DNA má špirálovú štruktúru pozostávajúcu z troch vlákien. Pre vedca jeho postavy to bola ťažko vysvetliteľná chyba - bol to najväčší štrukturálny chemik tej doby a jeden z najlepších všetkých čias - a napriek tomu to urobil. (Dôkaz, že sa každý môže mýliť, najmä keď sa ponáhľa zo strachu, že to skôr vezmú ostatní.)
Crick a Watson si uvedomili, že niečo nie je v poriadku, a spoliehajúc sa na röntgenové difrakčné fotografie zhotovené Rosalind Franklinovou a jej asistentom Raymondom Goslingom, najmä na určitý obrázok nazývaný „fotka 51“, ktorý dôležitú úlohu v úspechu), predpokladali, že by to bola radšej dvojvláknová špirála.
Zatiaľ nebolo známe, ako boli tieto reťaze usporiadané tak, aby tvorili vrtuľu. Dlho sa myslelo, že reťazec fosfátových a deoxyribózových skupín sa nachádza uprostred špirály - ako chrbtica - a dusíkaté bočné bočné časti, ale trojrozmerné modely postavené na tejto hypotéze neboli správne usporiadané. Vzdialenosti a uhly zodpovedajúce molekulárnym a chemickým väzbám neviedli k správnemu spojeniu dosiek.
Nakoniec sa počítala s opačnou hypotézou: zvonka, zvonka by boli rady deoxyribóza-fosfátových skupín a v strede boli dusíkaté bázy, ktoré sa navzájom spájali (spôsobom, ktorý dodnes nebol známy). Je zásluhou Rosalind Franklinovej, aby na tom trvala a nakoniec presvedčila Cricka a Watsona, že model so základňami v strede bude ten pravý.
Ako sa však tieto dusíkaté bázy navzájom viazali, aby stabilizovali točité schodisko?
Watson a Crick spočiatku verili, že základy sa viažu na podobnom princípe s podobnými - t. J. Adenín s adenínom, tymín s tymínom atď. Avšak opäť ich kovové modely nevyšli správne a po rozhovore s niekoľkými chemikmi, ktorí im pomohli overiť výpočty, Crick a Watson dospeli k záveru, že základné princípy sa spájali podľa iného pravidla, doplnkového, ktoré uspokojilo a Chargaffove pravidlá: adenín sa vždy viaže na tymín a cytozín na guanín. Výhodou tohto modelu bolo tiež pravdepodobné vysvetlenie toho, ako sa DNA replikovala - teda, ako sa kopírovala, pred bunkovým delením, takže dcérske bunky dostali identickú kópiu DNA kmeňových buniek.
A nakoniec, po mnohých cestách a výpočtoch, po sporoch s kolegami vedcami a trpkých sklamaniach, keď sa ukázalo, že je všetko zle, po nespočetných pokusoch o zostrojenie trojrozmerných kovových modelov tak, aby sa všetko spojilo ľahko, prirodzene a bezchybne, Nastal deň - 28. februára 1953, čo naznačuje tabuľa na stene „Orla“ - keď Crick a Watson vstúpili na príslušné miesto, a Crick, ktorého Watson vo svojej knihe popisuje ako mimoriadne zhovorčivý a s hlasným smiechom zakričal do svojich veľkých úst, že odhalili tajomstvo života!
Potom nasledovalo oficiálne oznámenie vedúceho Cavendishovho laboratória Sir Lawrence Bragg o novinkách na vedeckej konferencii, po ktorom nasledovalo uverejnenie článku v časopise Nature, ktorý obaja podpísali pod názvom „Štruktúra pre deoxyribózovú nukleovú kyselinu“ - skromný názov, po ktorom ste nemohli tušiť, že ide o jedno z najžiadanejších vedeckých víťazstiev všetkých čias, neskôr označené za najdôležitejší vedecký objav dvadsiateho storočia.
Na tomto základe bola postavená molekulárna genetika, od ktorej očakávame do budúcnosti riešenie nespočetných problémov ľudstva: hlad, choroby a ďalšie. V súčasnosti neprejde týždeň, aby svetové laboratórium neoznámilo, že objavilo niečo o géne. To by však nebolo možné bez objavenia štruktúry DNA, ktorej polynukleotidová molekula je zložená z génov, ktorej zázračná špirála, v ktorej zložení je vpísané tajomstvo života.