For præcis 65 år siden offentliggjorde de britiske forskere James Watson og Francis Crick en artikel om dekryptering af DNA-strukturen og lagde grundlaget for en ny videnskab - molekylærbiologi. Denne opdagelse har ændret sig meget i menneskehedens liv. RIA Novosti fortæller om DNA-molekylets egenskaber, og hvorfor det er så vigtigt.
I anden halvdel af 1800-tallet var biologi en meget ung videnskab. Forskere var lige begyndt at studere cellen, og begrebet arvelighed, selvom de allerede var formuleret af Gregor Mendel, modtog ikke bred anerkendelse.
I foråret 1868 kom en ung schweizisk læge, Friedrich Miescher, til universitetet i Tübingen (Tyskland) for at lave videnskabeligt arbejde. Han havde til hensigt at finde ud af, hvilke stoffer cellen består af. Til eksperimenter valgte jeg leukocytter, som er lette at få fra pus.
Ved at adskille kernen fra protoplasma, proteiner og fedt opdagede Miescher en forbindelse med et højt fosforindhold. Han kaldte dette molekyle nuclein ("nucleus" på latin er kernen).
Denne forbindelse udviste sure egenskaber, derfor blev udtrykket "nukleinsyre" myntet. Dets præfiks deoxyribo betyder, at molekylet indeholder H-grupper og sukkerarter. Så viste det sig, at det faktisk var salt, men navnet blev ikke ændret.
I begyndelsen af det 20. århundrede vidste videnskabsmænd allerede, at nuclein er en polymer (det vil sige et meget langt fleksibelt molekyle med gentagne enheder), enhederne er sammensat af fire nitrogenholdige baser (adenin, thymin, guanin og cytosin), og kernen er indeholdt i kromosomer - kompakte strukturer, som opstår i opdelende celler. Deres evne til at overføre arvelige egenskaber blev demonstreret af den amerikanske genetiker Thomas Morgan i eksperimenter med frugtfluer.
DNA-struktur.
Salgsfremmende video:
Modellen, der forklarede gener
Men hvad deoxyribonukleinsyre, eller DNA for kort, gør i cellekernen, blev ikke forstået i lang tid. Det blev antaget at spille en slags strukturel rolle i kromosomer. Arvsenhederne - gener - blev tilskrevet proteinkarakteren. Gennembrudet blev foretaget af den amerikanske forsker Oswald Avery, der eksperimentelt beviste, at genetisk materiale overføres fra bakterier til bakterier gennem DNA.
Det blev klart, at DNA skulle undersøges. Men hvordan? På det tidspunkt var kun røntgenstråler tilgængelige for forskere. For at skinne biologiske molekyler gennem dem, måtte de krystallisere, og dette er vanskeligt. Dekryptering af strukturen af proteinmolekyler ved røntgenstrålediffraktionsmønstre blev udført på Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Unge forskere James Watson og Francis Crick, der arbejdede der, havde ikke deres egne eksperimentelle data om DNA, så de brugte røntgenbilleder af kolleger fra King's College Maurice Wilkins og Rosalind Franklin.
Watson og Crick foreslog en model af DNA-strukturen, der nøjagtigt svarer til røntgendiffraktionsmønstre: to parallelle strenge er snoet til en højre-helix. Hver kæde er foldet af et vilkårligt sæt nitrogenholdige baser, spændt på rygraden i deres sukker og fosfater og fastholdt af brintbindinger, der strækkes mellem baserne. Desuden kombineres adenin kun med thymin og guanin - med cytosin. Denne regel kaldes princippet om komplementaritet.
Watson og Crick-modellen forklarede de fire vigtigste funktioner i DNA: replikation af genetisk materiale, dets specificitet, opbevaring af information i et molekyle og dets evne til at mutere.
Forskerne offentliggjorde deres opdagelse i tidsskriftet Nature den 25. april 1953. Ti år senere blev han og Maurice Wilkins tildelt Nobelprisen i biologi (Rosalind Franklin døde i 1958 af kræft i en alder af 37).
”Nu mere end et halvt århundrede senere kan vi konstatere, at opdagelsen af DNA-strukturen spillede den samme rolle i udviklingen af biologi som opdagelsen af atomkernen i fysik. Afklaring af atomets struktur førte til fødslen af en ny kvantefysik, og opdagelsen af DNA-strukturen førte til fødslen af en ny, molekylærbiologi,”skriver Maxim Frank-Kamenetsky, en fremragende genetiker, DNA-forsker, forfatter af The Most Most Molecule.
Genetisk kode
Nu gik det tilbage for at finde ud af, hvordan dette molekyle fungerer. Det var kendt, at DNA indeholder instruktioner til syntese af cellulære proteiner, der udfører alt arbejde i cellen. Proteiner er polymerer, der består af gentagne sæt (sekvenser) af aminosyrer. Der er desuden kun tyve aminosyrer. Dyrearter adskiller sig fra hinanden i sæt proteiner i celler, det vil sige i forskellige sekvenser af aminosyrer. Genetik hævdede, at disse sekvenser blev givet af gener, som så antages at være de første byggesten i livet. Men hvilke gener der var, vidste ingen nøjagtigt.
Forfatteren til Big Bang-teorien, fysiker Georgy Gamov, en medarbejder ved George Washington University (USA), gjorde det klart. Baseret på modellen med den dobbeltstrengede DNA-helix af Watson og Crick foreslog han, at et gen er et stykke DNA, det vil sige en bestemt række af forbindelser - nukleotider. Da hvert nukleotid er en af fire nitrogenholdige baser, skal du bare finde ud af, hvordan de fire elementer koder for tyve. Dette var ideen bag den genetiske kode.
I begyndelsen af 1960'erne var det blevet konstateret, at proteiner syntetiseres fra aminosyrer i ribosomer, en slags "fabrikker" inde i cellen. For at starte proteinsyntese nærmer et enzym sig DNA'et, genkender et specifikt sted i begyndelsen af genet, syntetiserer en kopi af genet i form af et lille RNA (det kaldes en skabelon), hvorefter der dyrkes et protein fra aminosyrer i ribosomet.
De fandt også ud af, at den genetiske kode er tre bogstaver. Dette betyder, at tre nukleotider svarer til en aminosyre. Enhedens kode blev kaldt et kodon. I ribosomet læses information fra mRNA kodon for codon sekventielt. Og hver af dem svarer til flere aminosyrer. Hvordan ser chifferen ud?
Marshall Nirenberg og Heinrich Mattei fra USA besvarede dette spørgsmål. I 1961 præsenterede de deres resultater for første gang på en biokemisk kongres i Moskva. I 1967 var den genetiske kode fuldstændigt afkodet. Det viste sig at være universelt for alle celler i alle organismer, hvilket havde vidtrækkende konsekvenser for videnskaben.
Opdagelsen af DNA-strukturen og den genetiske kode har omorienteret biologisk forskning fuldstændigt. Det faktum, at hvert individ har en unik DNA-sekvens, har grundlæggende ændret retsmedicinsk videnskab. At dechiffrere det menneskelige genom har givet antropologer en helt ny metode til at studere udviklingen af vores arter. Den nyligt opfundne DNA-redaktør CRISPR-Cas har taget genteknologi meget frem. Tilsyneladende gemmer dette molekyle løsningen på de mest presserende problemer for menneskeheden: kræft, genetiske sygdomme, aldring.
Tatiana Pichugina