50. "urodziny"

DNA

Czerwiec 2003

W roku 1953 (a konkretnie 25 kwietnia) na łamach tygodnika naukowego "Nature"
ukazały się trzy prace opisujące budowę kwasu dezoksyrybonukleinowego - DNA,
będącego podstawą dziedziczenia.

Autorami najważniejszego artykułu byli James
Watson i Francis Crick, dwa inne napisali Maurice
Wilkins i Rosalind Franklin.

Model stworzony przez Watsona i Cricka
przedstawia DNA jako helisę, czyli spiralę dwóch
zwiniętych w korkociągi wokół jednej osi
łańcuchów. Cząsteczka DNA stanowi klucz do
zrozumienia mechanizmów dziedziczenia w
świecie organizmów żywych. Jednostką

strukturalną każdego łańcucha jest tzw. nukleotyd, związek zbudowany z cukru -
dezoksyrybozy, reszt kwasu ortofosforowego oraz z jednej z czterech zasad: dwóch
purynowych - adeniny (A), guaniny (G) oraz dwóch pirymidynowych - cytozyny (C) i
tyminy (T). Cząsteczki dezoksyrybozy z resztami fosforowymi tworzą szkielet obydwu
przeciwbieżnych łańcuchów fosforanowo-cukrowych, które są powiązane ze sobą
przez pary komplementarnych zasad A-T i C-G.

Każda trójka nukleotydów koduje jeden aminokwas, tj. jednostkę strukturalną białek.
W ten sposób w DNA w odcinkach nazywanych genami zostają zapisane wszystkie
białka budujące dany organizm.

Początki
Współczesna chemia genu ma swoje początki w 1869 roku, kiedy to Johann
Friedrich Miescher, niemiecki chemik pracujący w Tybindze, odkrył, że materiał
wyizolowany z jąder ludzkich komórek nie jest białkiem, ponieważ zawiera fosfor
oraz jest odporny na działanie enzymu rozkładającego białka - pepsyny. Miescher
nazwał odkrytą przez siebie substancję nukleiną. Dzisiaj nosi ona nazwę kwasu
deoksyrybonukleinowego, czyli DNA. W ciągu kolejnych osiemdziesięciu pięciu lat
opracowano wiele metod oczyszczania DNA i analizy chemicznej jego składników
oraz charakteru łączących je wiązań. Badacze zidentyfikowali podstawowe elementy
budulcowe DNA: cztery odrębne małe cząsteczki nazwane nukleotydami. Podczas
badań właściwości fizycznych okazało się, że DNA jest polimerem, to znaczy bardzo
długą, podobną do łańcucha cząsteczką zbudowaną z nukleotydów. Ponadto
odkryto, że większość komórkowego DNA znajduje się w chromosomach.

Ponieważ przed publikacją na łamach "Nature" w 1953 r., DNA nie poświęcano zbyt
dużo uwagi, badania Mieschera poszły w zapomnienie. Podobnie stało się z
wynikami prac Kanadyjczyka Oswalda Theodore'a Avery'ego, który w
doświadczeniach na bakteriach z rodzaju pneumokoków zaobserwował, że DNA
pełni rolę materiału dziedzicznego.

1

Poznanie struktury DNA
Mimo że odkrycie Avery'ego poszło w zapomnienie i było później określane przez
badaczy jako "nieodkryte odkrycie", to właśnie ono skłoniło Jamesa Watsona do
rozpoczęcia w 1951 roku prac nad poznaniem dokładnej struktury cząsteczki DNA.

W 1951 roku 23-letni wówczas James Dewey
Watson, Amerykanin ze stanu Indiana, przybył do
prestiżowego laboratorium imienia Cavendisha w
Cambridge. Był biologiem, pracę magisterką a
następnie doktorską napisał w dziedzinie zoologii.
Sam uważał się za geniusza i tak był postrzegany
przez współpracowników z laboratorium. Po kilku
miesiącach pobytu w Cavendish Laboratory
Watson dzięki swojemu zaraźliwemu
entuzjazmowi nakłonił Francisa Cricka do podjęcia
wspólnych badań nad strukturą DNA.

Crick, o 13 lat starszy od Watsona, pracował
wówczas nad swoim doktoratem z biofizyki. Z
wykształcenia był fizykiem. Przekonanie Cricka do
współpracy nie było łatwe, zwłaszcza, że był on
przyjacielem Maurice'a Wilkinsa, który rozpoczął
prace nad strukturą DNA już w 1947 roku w King's
College w Londynie, a rywalizacja między
kolegami była wówczas w Anglii uważana za niehonorową.

W badaniach nad DNA Wilkins współpracował, a może raczej rywalizował z Angielką
Rosalind Franklin, która z wykształcenia była fizykiem. Badaczka przybyła do King's
College na trzyletnie stypendium i początkowo miała pracować pod kierunkiem
Wilkinsa.

Wilkins prowadził badania krystalograficzne cząsteczki DNA metodą dyfrakcji
promieni rentgenowskich. Był również pierwszym rzecznikiem i zagorzałym
zwolennikiem teorii, wedle której DNA ma budowę podwójnej spirali. To podczas
jego wykładu na konferencji fizyków w Neapolu w 1951 r. Watson zobaczył po raz
pierwszy obraz dyfrakcyjny włókien DNA i zorientował się, że jest to droga do
poznania jego struktury chemicznej.

Kiedy Crick zdecydował się już na współpracę z Watsonem, szef laboratorium
przydzielił im nawet wspólny pokój do badań. Praca naukowców polegała głównie na
dyskusjach teoretycznych, rozrysowywaniu modeli DNA na tablicy oraz tworzeniu
modeli trójwymiarowych za pomocą różnokolorowych plastikowych kulek i drutów.

Środowisko naukowe jest zgodne co do tego, że jeszcze nigdy w historii nauki nie
dokonano tak poważnego odkrycia przy minimalnym wkładzie pracy doświadczalnej.

2

W okresie swojej pracy Watson i Crick nigdy nie mieli do czynienia, ani nawet nie
widzieli nici DNA. Sam Watson praktycznie nie wykonał żadnego eksperymentu.

Po wykładzie Franklin w 1951 roku, na którym badaczka przedstawiła wyniki badań
dyfrakcyjnych, Watson, opierając się jedynie na tym, co zapamiętał z wykładu,
zbudował z Crickiem model DNA. Niestety, podczas jego prezentacji okazało się, że
Watson nie zapamiętał z wykładu prawidłowej liczby cząsteczek wody wchodzącej w
skład DNA. Prezentacja okazała się być katastrofą, a Watson i Crick zostali
zmuszeni do zawieszenia dalszych oficjalnych badań. Ciągle jednak dyskutowali nad
tym zagadnieniem.

W roku 1952 Wilkins zobaczył wykonany przez
Franklin obraz dyfrakcyjny DNA, z którego wynikało, że
DNA występuje w organizmach żywych w postaci
podwójnej spirali tzw. helisy. Badaczka ukrywała to
zdjęcie przez kilka miesięcy. Wilkins był wstrząśnięty,
uważał bowiem, że gdyby zobaczył je pół roku
wcześniej i gdyby Franklin była bardziej otwarta na
współpracę, mogliby razem odkryć tajemnicę budowy
DNA.

Nieostrożnie pokazał to zdjęcie Crickowi. To
wystarczyło parze Watson-Crick do skonstruowania
wspaniałego przestrzennego modelu DNA, którego

ostateczną wersję Watson uzyskał 28. lutego 1953 roku.

Sukces
18. marca 1953 r. Wilkins otrzymał kopię artykułu, który badacze przesłali do
"Nature" z prośbą o publikację. Następnie wysłał do Cricka list, w którym napisał:
"jesteście parą łobuzów, ale być może coś tam macie". Zaproponował też, by jego
grupa oraz grupa Franklin napisali osobne prace, które mogłyby być zaprezentowane
w tym samym numerze "Nature", razem z pracą Watsona i Cricka.

Wszystkie ukazały się 25 kwietnia 1953 roku pod wspólnym tytułem "Molecular
Structure of Nucleic Acids" (Molekularna budowa kwasów nukleinowych).

Mimo to jedynie praca Watsona i Cricka została okrzyknięta jako odkrycie
molekularnej struktury DNA, a pozostałe spotkały się z brakiem zainteresowania.
Przyczyną mógł być fakt, że została opublikowana przed pozostałymi artykułami,
była napisana prostym językiem, a na dodatek badacze zaprezentowali przejrzysty
model cząsteczki DNA. W 1962 roku Watson, Crick i Wilkins zostali laureatami
Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii. Franklin, która zmarła w 1958 r. na
raka jajnika, nie została nagrodzona, Komitet Noblowski nie przyznaje bowiem
nagród pośmiertnie.

3

Przyszłość - sztuczne życie
Genetycy chcą uzyskać pierwszy organizm stworzony ze sztucznie dobranych
genów. Efekt może jednak posłużyć jako podstawa do prac nad nowymi rodzajami
broni biologicznej.

Craig Venter, prezes firmy Celera Genomics i genetyk, który w największym stopniu
przysłużył się do odczytania ludzkiego genomu pracuje nadj kolejnym
spektakularnym projektem. Wraz z dawnym wspólnikiem, laureatem nagrody Nobla
Hamiltonem Smithem, chce wyhodować w laboratorium całkowicie sztuczny
organizm. Zbudowany ludzką ręką jednokomórkowiec ma posiadać wystarczającą
ilość genów, aby móc żyć. Jeśli wszystko pójdzie tak, jak sobie to wyobrażają Venter
i Smith, organizm ten będzie pobierał pokarm i rozmnażał się dotąd, aż powstanie
cała populacja. Odważny zamiar budzi wiele wątpliwości etycznych. Sztuczny
organizm mógłby być wykorzystany do tworzenia broni biologicznych. Z drugiej
jednak strony eksperyment ten może pomóc w wykrywaniu i zwalczaniu obecnie
istniejących broni tego rodzaju. Według "Washington Post" projekt został
dofinansowany przez amerykańskie ministerstwo energetyki sumą 3 milionów
dolarów.

Sam pomysł stworzenia od podstaw nowego organizmu nie jest
nowy. Venter zajmował się problematyką minimalnego genomu
już w 1992 roku w założonym przez siebie Instytucie Badań
Genetycznych (TIGR). Wtedy powstał Minimal Genome Project,
w ramach którego dokładniej zbadano bakterię Mycoplasma
genitalium. Organizm ten żyje w ludzkim układzie odbytniczym i
ma zaledwie 517 genów. Jak stwierdzili naukowcy, wśród nich
jest tylko 300 niezbędnych do życia. Kontynuując prace nad tym
studium Venter i Smith chcą maksymalnie zredukować liczbę
genów, ułożyć je w łańcuchy DNA, wprowadzić do komórki
mikroba, z której usunięto naturalny materiał genetyczny i
pobudzić ją do życia. Prace nad tym zajmą liczącemu około 25
osób zespołowi najbliższe 3 lata. "Mamy nadzieję, że
znajdziemy molekularną definicję życia" - stwierdził Venter -
"Naszym celem jest zrozumienie fundamentalnych elementów naprymitywniejszych
żywych komórek".

Leksykon:
gen - odcinek DNA lub RNA, który stanowi jednostkę informacji dziedzicznej

genom - całkowite DNA zawarte w chromosomach danego gatunku; genom zawiera
niemal całą informację potrzebną do określenia wszystkich właściwości organizmu.

nukleotydy - pojedyncze składniki budulcowe DNA i RNA

4

kodon - trzy następujące po sobie nukleotydy w łańcuchu DNA lub RNA
oznaczające określony aminokwas albo początek bądź koniec obszaru kodującego

para zasad - komplementarna para zasad DNA lub RNA stabilizująca strukturę
podwójnej helisy dzięki wiązaniom wodorowym między A i T (lub U w RNA) oraz G i
C

chromosomy - struktury jądra komórkowego, każdy z nich zawiera wysoko
skondensowaną podwójną helisę DNA związaną z białkami

5