Витлото на живота - най-голямото научно откритие на ХХ век
Образът на двойната спирала на ДНК - представен на кориците на училищните учебници по биология и на кориците на повечето книги по генетика - ни стана толкова познат, че оттогава изглежда нещо, познато на света. Но са минали едва 60 години - тази година се набелязва, откакто тази научна мистерия - структурата на молекулата на ДНК - беше дешифрирана, дълго време един вид „свещен граал“ на биохимичните изследвания.
Дълги научни противоречия, борба на идеи в продължение на години предшестваха откриването на този състав и успехът беше изграден, стъпка по стъпка, върху предишни знания по химия, биология и физика, преминавайки през грешки, спорове, разочарования, за да достигне, И накрая, апотеозът: моментът на славата, когато Франсис Крик и Джеймс Уотсън осъзнават, че моделът, който са си представяли, отговаря на всички изисквания и може да се счита за правилна, истинска картина на структурата на нуклеиновите киселини. Беше 1953 година.
Разбира се, те не са единствените, които са работили усилено, за да постигнат този успех. Те са тези, които, събирайки информацията, получена досега чрез собствени изследвания, плюс данните, получени в десетилетия на проучвания от учени от два континента, са имали блестящата интуиция за това как тези данни се комбинират за създайте правилния модел.
Има много хора, които, без непременно да се стремят да познават структурата на ДНК, са допринесли чрез своите изследвания на химията, биологията и физиката за събирането на основни данни. Имаше и други, които дори се опитаха да разберат структурата на ДНК и предложиха модели, но те се оказаха погрешни. Така се пише историята на науката.
Във всеки случай, в допълнение към Джеймс Уотсън и Франсис Крик, които проведоха своите изследвания в лабораторията Кавендиш в Кеймбридж, тези, които допринесоха най-много за техния успех чрез своите изследвания, бяха Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, които работеха, през този период в King's College London. Тези четирима учени дължат в по-голямата си част заслугата за разрешаването на тази загадка от биологията. Всъщност Морис Уилкинс споделя с Крик и Уотсън Нобеловата награда за медицина/физиология, присъдена през 1962 г. за това откритие. Розалинд Франклин, която допринесе решаващо за успеха, не беше сред победителите по проста и трагична причина: тя почина преди наградата през 1958 г., само на 37 години, поради рак.
От 4-те учени, участвали основно в откриването на структурата на ДНК, само Джеймс Уотсън е все още жив. Той е на 84 години. След като открива структурата на нуклеиновите киселини, той се завръща в Съединените щати и работи в няколко институции, занимавайки се с изследвания в областта на генетиката, в които е отворил, на възраст под 25 години, такъв обещаващ път. Освен всичко друго, в продължение на 2 години той ръководи проекта за човешкия геном, като е вторият човек, чийто геном е напълно секвениран. Той е един от деканите на молекулярната генетика и най-вероятно се е занимавал с генетика повече от всеки друг учен, работещ в тази област днес.
Много от анекдотичните подробности от историята на откриването на двойната спирала (той е измислил термина, за да опише структурата на ДНК) са известни от книгата, която той е написал и публикувал през 1968 г .: Двойната спирала: Лична сметка за откриването на структурата на ДНК (публикувана също през 1970 г., озаглавена „Витлото на живота“), личен разказ - разбира се, субективен, но не по-малко важен - за последователността на събитията, довели до откриването на структурата на ДНК и контекста, в който се е случило. Животът в академичния свят в Кеймбридж, притесненията - професионални и лични - на учените, които са работили там, както и борбата на идеи между участниците в дешифрирането на структурата на ДНК са уловени живи и често дори смешни, въпреки че книгата е и критикуван за някои дискриминационни акценти - особено към Розалинд Франклин - израз на сексизъм, който преобладаваше по това време в англосаксонската университетска среда.
Франсис Крик и Морис Уилкинс, и двамата родени през същата 1916 г., и двамата умират през 2004 г.
ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) е материалната подкрепа на наследствената информация: гените са изградени от ДНК. ДНК молекулата е полинуклеотид, съставен от основни единици, наречени нуклеотиди, и всеки нуклеотид се състои от три елемента:
- азотна основа, която може да бъде аденин (А), цитозин (С), тимин (Т) или гуанин (G).
- молекула на въглехидрат (захар), наречена дезоксирибоза
- една или повече фосфатни групи
Линейната последователност на нуклеотидите - редът, в който са нанизани - е основната структура на ДНК. Но, както всяка сложна молекула, ДНК има няколко нива на структура. Първичната структура не описва напълно състава на молекулата, но останалите нива на структурата трябва да бъдат дешифрирани, за да може да я характеризира напълно.
В живата клетка ДНК съществува предимно в двуверижна форма (две вериги или вериги от нуклеотиди), а вторичната структура се дава от начина, по който двете вериги се свързват помежду си, а именно чрез водородни връзки между азотни двойки основи. на едната верига, а на другата. Азотните основи така или иначе не могат да се свържат, но само в определени комбинации: аденинът винаги се свързва с тимин (A-T), а цитозинът - с гуанин (C-G). Има два аспекта, които бяха изяснени от Крик и Уотсън в техния модел: колко нишки има ДНК и как те се свързват помежду си.
Основният аспект, за който споменатите четирима учени са допринесли, е третичната структура на ДНК, т.е. триизмерната форма, специфична за молекулата. Днес знаем, че ДНК е под формата на „двойна спирала“, както я нарича Уотсън, двете нишки се усукват една около друга под определени ъгли и с точни разстояния между спиралите на спиралната структура. Крик и Уотсън станаха известни с откриването на тази висша структура.
И накрая, ДНК има и четвъртична структура, по-висока степен на организация, която се отнася до взаимодействията на ДНК с други молекули, които й позволяват да изпълнява специфичните си функции. В клетката ДНК се свързва с молекули протеини, наречени хистони, образувайки по-компактна структура, наречена хроматин. В тази форма ДНК се намира в ядрото на клетките.
Като цяло ДНК молекулата изглежда като спираловидно усукана скала, в която страните са образувани от дезоксирибоза + фосфатни групи, а стъпалата - от двойки азотни основи, A-T и C-G.
Днес ние знаем всички тези неща, но представете си, че преди 60 години те не са били известни. Никой не би могъл да опише ДНК дори в обобщената форма, която описах по-горе. ДНК молекулата беше твърде малка структура, за да се види под микроскоп, така че всичко трябваше да се изведе косвено, чрез сложни изчисления, чрез интерпретиране на резултатите от конкретни анализи, чрез често опровергани и рядко потвърждавани предположения и чрез транспониране в огромен мащаб. на образа на ДНК молекулата, както учените са си го представяли.
Трябва също така да се каже, че като цяло молекулната структура на гена по това време е голяма неизвестност. Днес много хора знаят, че гените са направени от нуклеинови киселини, но по това време тази идея не е била приета дори от цялата научна общност. Много учени вярват, че гените са изградени от протеини, способни да се самовъзпроизвеждат, докато на ДНК се приписва само структурна, поддържаща роля на протеините. Моделът на Крик-Уотсън хвърля светлина и върху това, тъй като предоставя аргументи в подкрепа на идеята, че гените са изградени от нуклеинови киселини.
Витлото, което би променило света
Откриването на структурата на ДНК се основава на няколко основни елемента, всеки от които предоставя част от знанията, необходими за най-накрая да се разбере как е съставена тази молекула на живота.
От известно време е известно, че химичните изследвания включват дезоксирибоза, фосфатни групи и азотни основи: тимин, аденин, цитозин и гуанин. Също така беше открито, че има известно съотношение на пропорционалност между количествата на тези основи: количеството на цитозин е равно на това на гуанин, а на тимин - на аденин. (Химикът Ервин Чаргаф беше открил това, така че явлението се нарича правилата на Чаргаф.) Какво може да означава това, все още не беше известно.
Друг ключов елемент е работата на Морис Уилкинс и Розалинд Франклин, които изучават рентгенова кристалография, прилагана в продължение на години на различни молекулярни структури, а рентгеновите дифракционни изображения на ДНК, които те правят, водят до идеята, че може да е спираловидна структура.
Идеята за спираловидна структура на сложни молекули по това време се носеше във въздуха; Не много отдавна известен американски химик Линус Полинг, работещ в Калифорнийския университет (Cal Tech), откри, че много протеини имат такава структура, наречена алфа-спирала, което доведе до предположението, че други сложни молекули могат да имат такава конфигурация.
Това беше етапът на познанието, когато Фрасис Крик и Джеймс Уотсън решиха да проучат структурата на ДНК.
Днес проучванията върху структурата на молекулите се извършват с помощта на много сложни компютърни програми, които ефективно изтеглят триизмерни молекули, след което ги усукват и завъртат във всички позиции, като по този начин значително помагат да се разбере тяхната конфигурация. През 50-те години обаче нямаше такова нещо. Ние, свикнали с участието на компютри в научни изследвания, ни е трудно да повярваме, че Уотсън и Крик са открили структурата на ДНК чрез ръчно сглобяване на триизмерни модели на проводници и метални пластини, представляващи фосфатни групи, дезоксирибоза, азотни основи и техните връзки. Плочите и проводниците бяха нарязани, за да съответстват на определени размери на атомните клъстери и дължината на химичните и водородните връзки в структурата на ДНК, както беше изведено от химични данни и рентгенови дифракционни снимки. Дни наред Уотсън и Крик изграждат такива модели, поставяйки плочите под определени ъгли, внимателно измервайки разстоянията, така че всичко да се побере. И преди успеха имаше много разочарования.
Днес, когато знаем от какво е изградена ДНК, разбира се, изглежда просто, но не забравяйте, че тогава никой не е знаел как изглежда тази сложна молекула. Предполагаше се, че има формата на спирала, но от колко вериги е съставена, не беше известно от самото начало.
По едно време, през 1951 г., известният Линус Полинг от Cal Tech (институция, с която се състезаваше Лабораторията Кавендиш, всяка група учени с надеждата да открие първата структура на ДНК и да получи Нобелова награда за успех), публикува статия в който твърди, че е открил мистерията: ДНК има спираловидна структура, състояща се от три нишки. Това беше трудно обяснима грешка за учен от неговия ръст - той беше най-големият структурен химик на времето и един от най-великите за всички времена - и въпреки това го направи. (Доказателство, че всеки може да греши, особено когато бърза от страх, че другите ще го вземат първи.)
Крик и Уотсън осъзнаха, че нещо не е наред и, разчитайки на рентгенови дифракционни снимки, направени от Розалинд Франклин и нейния асистент Реймънд Гослинг, особено определено изображение, наречено "снимка 51", което важна роля за успеха), те предположиха, че това би било по-скоро двуспирална спирала.
Все още не беше известно как тези вериги са подредени така, че да образуват витлото. Отдавна се смята, че струната от фосфатни и дезоксирибозни групи се намира в средата на спиралата - като гръбначен стълб - и азотните основи странично, отделно, но триизмерните модели, изградени въз основа на тази хипотеза, не са били правилно подредени. Разстоянията и ъглите, съответстващи на молекулярните и химичните връзки, не водят до правилна връзка на плочите.
И накрая, беше взета предвид обратната хипотеза: отвън, отвън ще бъдат редовете на дезоксирибозо-фосфатни групи, а в центъра - азотните основи, които се сливат помежду си (по начин, който все още не е разбран). Заслуга на Розалинд Франклин е да настоява за този аспект, в крайна сметка убеждавайки Крик и Уотсън, че моделът с основите в центъра ще бъде правилният.
Но как тези азотни основи се свързват помежду си, за да стабилизират спиралното стълбище?
Първоначално Уотсън и Крик вярвали, че основите се свързват на сходния принцип с подобни - т.е. аденин с аденин, тимин с тимин и др. Но отново техните метални модели не се оказаха правилно и разговаряйки с няколко химици, които им помогнаха да проверят изчисленията, Крик и Уотсън стигнаха до заключението, че основите се сливат в съответствие с друго правило, това за допълване, което удовлетворява и Правилата на Chargaff: аденинът винаги се свързва с тимин, а цитозинът с гуанин. Този модел също имаше предимството да обясни правдоподобно как ДНК се репликира - как, т.е. как е копирана, преди клетъчното делене, така че дъщерните клетки да получат идентично копие на ДНК на стволовите клетки.
И накрая, след много пътувания и изчисления, след спорове с колеги учени и горчиви разочарования, когато нещата се оказаха погрешни, след безброй опити за изграждане на триизмерни метални модели, така че всичко да се събира лесно, естествено и безупречно, Денят дойде - 28 февруари 1953 г., както е посочено от плоча на стената на „Орела“ - когато Крик и Уотсън влязоха на въпросното място, и Крик, когото Уотсън описва в книгата си като изключително разговорлив и със силен смях, той извика в голямата си уста, че са открили тайната на живота!
Това беше последвано от официалното съобщение от ръководителя на лабораторията Cavendish, сър Лорънс Браг, за новината на научна конференция, последвано от публикуването в списание Nature на статия, подписана от двамата, озаглавена "Структура за дезоксирибозна нуклеинова киселина" - скромно заглавие, след което не бихте могли да предположите, че това е една от най-желаните научни победи на всички времена, по-късно определена като най-важното научно откритие на ХХ век.
На тази основа е изградена молекулярна генетика, от която очакваме за в бъдеще решението на безброй проблеми на човечеството: глад, болести и други. Понастоящем не минава седмица, без лаборатория в света да обяви, че е открила нещо за ген. Но това не би било възможно без откриването на структурата на ДНК, полинуклеотидната молекула, от която са съставени гени, в чудотворната спирала в състава на която е вписана тайната на живота.