Dokładnie 65 lat temu brytyjscy naukowcy James Watson i Francis Crick opublikowali artykuł o rozszyfrowaniu struktury DNA, kładąc podwaliny pod nową naukę - biologię molekularną. To odkrycie bardzo zmieniło życie ludzkości. RIA Novosti opowiada o właściwościach cząsteczki DNA i dlaczego jest tak ważna.
W drugiej połowie XIX wieku biologia była nauką bardzo młodą. Naukowcy dopiero zaczynali badać komórkę, a pojęcie dziedziczności, chociaż zostało już sformułowane przez Gregora Mendla, nie spotkało się z szerokim uznaniem.
Wiosną 1868 roku młody szwajcarski lekarz Friedrich Miescher przyjechał na Uniwersytet w Tybindze (Niemcy), aby podjąć pracę naukową. Zamierzał dowiedzieć się, z jakich substancji składa się komórka. Do eksperymentów wybrałem leukocyty, które są łatwe do uzyskania z ropy.
Oddzielając jądro od protoplazmy, białek i tłuszczów, Miescher odkrył związek o wysokiej zawartości fosforu. Nazwał tę cząsteczkę nukleiną („jądro” po łacinie to jądro).
Związek ten wykazywał właściwości kwasowe, dlatego wymyślono termin „kwas nukleinowy”. Jego przedrostek deoxyribo oznacza, że cząsteczka zawiera grupy H i cukry. Potem okazało się, że to właściwie sól, ale nazwa nie uległa zmianie.
Już na początku XX wieku naukowcy wiedzieli, że nukleina jest polimerem (czyli bardzo długą elastyczną cząsteczką powtarzających się jednostek), jednostki składają się z czterech zasad azotowych (adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny), a nukleina zawarta jest w chromosomach - zwartych strukturach, które powstają w dzielących się komórkach. Ich zdolność do przekazywania dziedzicznych cech została zademonstrowana przez amerykańskiego genetyka Thomasa Morgana w eksperymentach na muszkach owocowych.
Struktura DNA.
Film promocyjny:
Model wyjaśniający geny
Ale to, co kwas dezoksyrybonukleinowy, w skrócie DNA, robi w jądrze komórkowym, nie było rozumiane przez długi czas. Uważano, że odgrywa jakąś rolę strukturalną w chromosomach. Jednostki dziedziczności - geny - przypisano naturze białka. Przełomu dokonał amerykański badacz Oswald Avery, który eksperymentalnie udowodnił, że materiał genetyczny jest przenoszony z bakterii na bakterie poprzez DNA.
Stało się jasne, że DNA należy zbadać. Ale jak? W tym czasie naukowcy mieli dostęp tylko do promieni rentgenowskich. Aby przeświecić przez nie cząsteczki biologiczne, musiały skrystalizować, a to jest trudne. Rozszyfrowanie struktury cząsteczek białka za pomocą wzorów dyfrakcji rentgenowskiej przeprowadzono w Cavendish Laboratory (Cambridge, Wielka Brytania). Młodzi badacze James Watson i Francis Crick, którzy tam pracowali, nie mieli własnych danych eksperymentalnych dotyczących DNA, więc wykorzystali zdjęcia rentgenowskie kolegów z King's College Maurice Wilkins i Rosalind Franklin.
Watson i Crick zaproponowali model struktury DNA, który dokładnie odpowiada wzorom dyfrakcji rentgenowskiej: dwie równoległe nici są skręcone w prawoskrętną helisę. Każdy łańcuch jest zawinięty przez dowolny zestaw zasad azotowych, nawleczonych na szkielet ich cukrów i fosforanów i utrzymywany przez wiązania wodorowe rozciągnięte między zasadami. Ponadto adenina łączy się tylko z tyminą, a guanina - z cytozyną. Zasada ta nazywana jest zasadą komplementarności.
Model Watsona i Cricka wyjaśnił cztery główne funkcje DNA: replikację materiału genetycznego, jego specyficzność, przechowywanie informacji w cząsteczce i jej zdolność do mutacji.
Naukowcy opublikowali swoje odkrycie w czasopiśmie Nature 25 kwietnia 1953 roku. Dziesięć lat później on i Maurice Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie biologii (Rosalind Franklin zmarła w 1958 roku na raka w wieku 37 lat).
„Teraz, ponad pół wieku później, możemy stwierdzić, że odkrycie struktury DNA odegrało taką samą rolę w rozwoju biologii, jak odkrycie jądra atomowego w fizyce. Wyjaśnienie budowy atomu doprowadziło do narodzin nowej fizyki kwantowej, a odkrycie struktury DNA doprowadziło do narodzin nowej biologii molekularnej”- pisze Maxim Frank-Kamenetsky, wybitny genetyk, badacz DNA, autor książki The Most Important Molecule.
Kod genetyczny
Teraz pozostało dowiedzieć się, jak działa ta cząsteczka. Wiadomo było, że DNA zawiera instrukcje dotyczące syntezy białek komórkowych, które wykonują całą pracę w komórce. Białka to polimery utworzone z powtarzających się zestawów (sekwencji) aminokwasów. Ponadto jest tylko dwadzieścia aminokwasów. Gatunki zwierząt różnią się od siebie zestawem białek w komórkach, czyli różnymi sekwencjami aminokwasów. Genetyka argumentowała, że te sekwencje są nadawane przez geny, które następnie uważano za pierwsze elementy budulcowe życia. Ale jakie były geny, nikt nie wiedział dokładnie.
Autor teorii Wielkiego Wybuchu, fizyk Georgy Gamov, pracownik George Washington University (USA), dał to jasno do zrozumienia. Na podstawie modelu dwuniciowej helisy DNA autorstwa Watsona i Cricka zasugerował, że gen to fragment DNA, czyli pewna sekwencja połączeń - nukleotydów. Ponieważ każdy nukleotyd jest jedną z czterech zasad azotowych, wystarczy dowiedzieć się, jak te cztery pierwiastki kodują dwadzieścia. Taka była idea kodu genetycznego.
Na początku lat sześćdziesiątych ustalono, że białka są syntetyzowane z aminokwasów w rybosomach, rodzaj „fabryk” wewnątrz komórki. Aby rozpocząć syntezę białka, enzym zbliża się do DNA, rozpoznaje określone miejsce na początku genu, syntetyzuje kopię genu w postaci małego RNA (nazywa się to matrycą), a następnie białko jest hodowane z aminokwasów w rybosomie.
Odkryli również, że kod genetyczny składa się z trzech liter. Oznacza to, że trzy nukleotydy odpowiadają jednemu aminokwasowi. Jednostka kodu została nazwana kodonem. W rybosomie informacja z mRNA jest odczytywana sekwencyjnie kodon po kodonie. A każdy z nich odpowiada kilku aminokwasom. Jak wygląda szyfr?
Marshall Nirenberg i Heinrich Mattei z USA odpowiedzieli na to pytanie. W 1961 roku po raz pierwszy zaprezentowali swoje wyniki na kongresie biochemicznym w Moskwie. Do 1967 roku kod genetyczny został całkowicie rozszyfrowany. Okazał się uniwersalny dla wszystkich komórek wszystkich organizmów, co miało daleko idące konsekwencje dla nauki.
Odkrycie struktury DNA i kodu genetycznego całkowicie zmieniło kierunek badań biologicznych. Fakt, że każda osoba ma unikalną sekwencję DNA, zasadniczo zmienił kryminalistykę. Odszyfrowanie ludzkiego genomu dało antropologom zupełnie nową metodę badania ewolucji naszego gatunku. Niedawno wynaleziony edytor DNA CRISPR-Cas bardzo rozwinął inżynierię genetyczną. Najwyraźniej ta cząsteczka zawiera rozwiązanie najpilniejszych problemów ludzkości: raka, chorób genetycznych, starzenia się.
Tatiana Pichugina