Пропелерот на животот - најголемото научно откритие на дваесеттиот век
Сликата на двојната спирала на ДНК - претставена на кориците на учебниците за биологија во училиштата и на кориците на повеќето книги за генетика - ни стана толку позната што оттогаш се чини нешто познато на светот. Но, поминаа само 60 години - годинава се одбележува - откако оваа научна мистерија - структурата на ДНК молекулата - одамна е дешифрирана, еден вид „свет грал“ на биохемиски истражувања.
Долга научна полемика, борба на идеи со години претходеше на откривањето на овој состав, и успехот беше изграден, чекор по чекор, врз претходното познавање на хемијата, биологијата и физиката, минувајќи низ грешки, спорови, разочарувања, за да се достигне, Конечно, до апотеозата: моментот на слава кога Франсис Крик и Jamesејмс Вотсон сфатија дека моделот што го замислија ги исполнува сите барања и може да се смета за правилна, вистинита слика за структурата на нуклеинските киселини. Беше 1953 година.
Се разбира, тие не се единствените кои работеа напорно за да го постигнат овој успех. Тие се оние што ги составија досега добиените информации преку сопствено истражување, плус добиените податоци, со децениски студии, од научници од два континента, имаа брилијантна интуиција како овие податоци се комбинираат за создаде вистински модел.
Постојат многу кои, без нужно да бараат да ја знаат структурата на ДНК, придонеле, преку своите студии по хемија, биологија и физика, во собирањето на основните податоци. Имаше и други кои дури се обидоа да ја дознаат структурата на ДНК и предложија модели, но се покажа дека не се во ред. Така се пишува историјата на науката.
Во секој случај, покрај Jamesејмс Вотсон и Френсис Крик, кои ги спроведоа своите истражувања во лабораторијата Кавендиш во Кембриџ, оние кои преку своето истражување придонесоа најмногу за нивниот успех беа Морис Вилкинс и Розалинд Френклин, кои работеа, во тој период, на колеџот во Кинг во Лондон. Овие четворица научници се оние кои им должат, во најголем дел, заслуги за решавањето на оваа загатка на биологијата. Всушност, Морис Вилкинс ја сподели со Крик и Вотсон Нобеловата награда за медицина/физиологија, доделена во 1962 година за ова откритие. Розалинд Френклин, која даде решителен придонес кон успехот, не беше една од победниците од едноставна и трагична причина: таа почина пред наградата во 1958 година, на само 37 години, поради рак.
Од 4 научници, главно вклучени во откривањето на структурата на ДНК, само Jamesејмс Вотсон е сè уште жив. Тој има 84 години. Откако ја откри структурата на нуклеинските киселини, тој се врати во Соединетите држави и работеше во неколку институции, занимавајќи се со истражување од областа на генетиката, во кое тој беше отворен, на возраст помалку од 25 години, таков ветувачки пат. Меѓу другото, тој го водеше, 2 години, Проектот за човечки геном, како втора личност чиј геном беше целосно секвенциониран. Тој е еден од деканите на молекуларната генетика и најверојатно бил вклучен во генетиката повеќе од кој било друг научник кој работи на ова поле денес.
Многу од анегдотските детали за историјата на откривањето на двојната спирала (тој го измислил терминот за да ја опише структурата на ДНК) се познати од книгата што ја напиша и ја објави во 1968 година: Двојната спирала: лична сметка за откривањето на структурата на ДНК (исто така објавена во 1970 година, со наслов Хеликс на животот), лична сметка - се разбира, субјективна, но не помалку важна - за редоследот на настаните што доведоа до откривање на структурата на ДНК и контекстот во кој се одвиваше. Lifeивотот во академијата во Кембриџ, загриженоста - професионална и лична - на научниците кои работеле таму, како и борбата со идеите меѓу оние кои се вклучени во дешифрирањето на структурата на ДНК се фатени живописно и често дури и забавно, иако книгата беше и критикуван за некои дискриминирачки акценти - особено кон Розалинд Франклин - израз на сексизам што преовладуваше во тоа време во англо-саксонската универзитетска средина.
Френсис Крик и Морис Вилкинс, двајцата родени во иста година, 1916 година, и двајцата починаа во 2004 година.
ДНК (деоксирибонуклеинска киселина) е материјална поддршка на наследни информации: гените се составени од ДНК. Молекулата на ДНК е полинуклеотид, составен од основни единици наречени нуклеотиди и секој нуклеотид е составен од три елементи:
- азотна база, која може да биде аденин (А), цитозин (Ц), тимин (Т) или гванин (Г).
- молекула во јаглени хидрати (шеќер) наречена деоксирибоза
- една или повеќе фосфатни групи
Линеарната низа на нуклеотиди - редоследот по кој тие се нанижани - е примарна структура на ДНК. Но, како и секоја сложена молекула, ДНК има неколку нивоа на структура. Примарната структура не го опишува во целост составот на молекулата, но другите нивоа на структурата мора да се дешифрираат за да може да се карактеризира во целост.
Во живата клетка, ДНК преовладува претежно во двојна нишка (две нишки или ланци на нуклеотиди), а секундарната структура се дава преку начинот на поврзување на двете нишки едни со други, имено преку водородни врски помеѓу азотните базни парови. од едниот и од другиот ланец. Азотните бази не можат да се врзат како и да е, но само во одредени комбинации: аденинот секогаш се врзува за тимин (А-Т) и цитозин - за гванин (Ц-Г). Постојат два аспекта кои беа разјаснети од Крик и Вотсон во нивниот модел: колку насоки има ДНК и како тие се поврзуваат едни со други.
Главниот аспект на кој придонесоа четворицата споменати научници беше терцијарната структура на ДНК, односно тродимензионалната форма специфична за молекулата. Денес, знаеме дека ДНК е во форма на „двојна спирала“, како што ја нарече Вотсон, двете насоки се вртат едни околу други под одредени агли и со прецизни растојанија помеѓу спиралите на спиралната структура. Крик и Вотсон се прославија со откривањето на оваа терцијарна структура.
Конечно, ДНК има и кватернарна структура, повисок степен на организација, што се однесува на интеракциите на ДНК со другите молекули, кои и овозможуваат да ги извршува своите специфични функции. Во клетката, ДНК е поврзана со молекули на протеини наречени хистони, формирајќи покомпактна структура наречена хроматин. Во оваа форма, ДНК се наоѓа во јадрото на клетките.
Генерално, молекулата на ДНК изгледа како спирална извртена скала, во која страните се формираат од деоксирибоза + фосфатни групи, и чекорите - од парови на азотни бази, А-Т и Ц-Г.
Денес, ги знаеме сите овие работи, но замислете дека, пред 60 години, тие не беа познати. Никој не можеше да ја опише ДНК дури и во сумарната форма што ја опишав погоре. Молекулата на ДНК беше премала структура за да се види под микроскоп, па сè мораше да се заклучи индиректно, со комплицирани пресметки, со толкување на резултатите од специфични анализи, со често побиени и ретко потврдени претпоставки и со транспонирање во огромен обем. на сликата на ДНК молекулата како што ја замислуваа научниците.
Исто така, мора да се каже дека, како целина, молекуларната структура на генот, во тоа време, била голема непозната. Денес, многу луѓе знаат дека гените се составени од нуклеински киселини, но во тоа време оваа идеја не беше прифатена дури и од целата научна заедница. Многу научници веруваа дека гените се состојат од протеини способни за само-репликација, додека на ДНК му се припишува само структурна, потпорна улога на протеините. Моделот Крик-Вотсон го расветли и ова, бидејќи даваше аргументи во прилог на идејата дека гените се составени од нуклеински киселини.
Пропелерот што ќе го промени светот
Откривањето на структурата на ДНК се заснова на неколку основни елементи, кои секој обезбеди одредено знаење потребно за конечно да разбере како е составена оваа молекула на животот.
Веќе некое време е познато дека студиите по хемија вклучуваат деоксирибоза, фосфатни групи и азотни бази: тимин, аденин, цитозин и гванин. Исто така, беше откриено дека постои одреден сооднос на пропорционалност помеѓу количините на овие бази: количината на цитозин е еднаква на онаа на гванин, и онаа на тимин - онаа на аденин. (Хемичарот Ервин Чаргаф го откри ова, така што феноменот се нарекува правила на Чаргаф.) Што ова може да значи, сè уште беше непознато.
Друг клучен елемент беше делото на Морис Вилкинс и Росалинд Френклин, кои со години ја проучувале кристалографијата на Х-зраци применета на разни молекуларни структури, а нивните слики на дифракција на ДНК на Х-зраци довеле до идеја дека може да биде спирална структура.
Идејата за спирална структура на комплексни молекули лебдеше во воздухот во тоа време; Неодамна, познат американски хемичар, Линус Полинг, кој работеше на Универзитетот во Калифорнија (Кал Тех), откри дека многу протеини имаат таква структура, наречена алфа-хеликс, што доведе до претпоставка дека другите сложени молекули може да имаат таква конфигурација.
Ова беше фаза на знаење кога Фрејсис Крик и Jamesејмс Вотсон решија да ја проучат структурата на ДНК.
Денес, студиите за структурата на молекулите се прават со помош на многу сложени компјутерски програми кои всушност цртаат тродимензионални молекули, а потоа ги извртуваат и извртуваат на сите позиции, со што во голема мера помагаат да се разбере нивната конфигурација. Во 1950-тите, сепак, немаше такво нешто. Нас, навикнати на учество на компјутери во научни истражувања, ни е тешко да поверуваме дека Вотсон и Крик ја откриле структурата на ДНК со рачно склопување на тродимензионални модели на жици и метални плочи кои претставувале фосфатни групи, деоксирибоза, азотни бази и врски меѓу нив. Плочите и жиците беа исечени во обем за да одговараат на одредени димензии на атомските групи и должината на хемиските и водородните врски во структурата на ДНК, како што беше заклучено од податоците за хемијата и фотографиите со дифракција на Х-зраците. Со денови, Вотсон и Крик градеа такви модели, поставувајќи ги плочите под одредени агли, внимателно мерејќи ги растојанијата, така што сè ќе се вклопи заедно. И пред успехот имаше многу разочарувања.
Денес, кога знаеме од што е направена ДНК, се чини дека е едноставно, но запомнете дека тогаш никој не знаеше како изгледа таа комплицирана молекула. Се сомневаше дека има форма на спирала, но од колку синџири е составен не беше познато од почетокот.
Во еден момент, во 1951 година, познатиот Линус Полинг, од Кал Тех (институција со која Лабораторијата Кавендиш се натпреваруваше, секоја група научници се надеваше дека ќе ја открие првата структура на ДНК и ќе ја добие Нобеловата награда за успех), објави труд во кој тврдеше дека ја открил мистеријата: ДНК има спирална структура, која се состои од три нишки. Тоа беше тешко објаснива грешка за еден научник за неговиот раст - тој беше најголемиот структурен хемичар од тоа време и еден од најголемите на сите времиња - а сепак тоа го стори. (Доказ дека некој може да греши, особено кога брзаат од страв дека другите ќе го земат тоа.)
Крик и Вотсон сфатиле дека нешто не е во ред и, потпирајќи се на фотографиите со дифракција на Х-зраци направени од Розалинд Френклин и нејзиниот асистент Рејмонд Гослинг, особено одредена слика, наречена „фотографија 51“, која имаше важна улога во успехот), тие претпоставија дека повеќе би сакал да биде двоверижна спирала.
Сè уште не беше познато како се наредени овие ланци за да се формира елисата. Долго време се сметаше дека низата фосфатни и деоксирибозни групи се наоѓаат во средината на спиралата - како 'рбет - и азотните бази странично, освен, но тродимензионалните модели изградени врз оваа хипотеза не беа правилно распоредени. Растојанијата и аглите што одговараат на молекуларните и хемиските врски не доведоа до правилен спој на плочите.
Конечно, обратната хипотеза беше земена во предвид: однадвор, однадвор, ќе беа редовите на групи на деоксирибоза-фосфат, а во центарот, азотните бази, кои се споија едни со други (на начин што сè уште не е разбран). Заслуга на Розалинд Френклин е што инсистирала на тоа, на крајот убедувајќи ги Крик и Вотсон дека моделот со основи во центарот ќе биде вистинскиот.
Но, како овие азотни бази се врзаа едни со други за да се стабилизира спиралното скалило?
Првично, Вотсон и Крик веруваа дека основите се врзуваат на сличен принцип со слични - т.е. аденин со аденин, тимин со тимин, итн. Но, повторно, нивните метални модели не излегоа како што треба, и разговарајќи со неколку хемичари, кои им помогнаа да ги потврдат пресметките, Крик и Вотсон заклучија дека основите се споија според друго правило, тоа на комплементарност, што ги задоволи и Правила на Шаргаф: аденинот секогаш се врзува за тимин, а цитозин за гванин. Овој модел исто така имаше предност во разбирливо објаснување како ДНК се реплицира - како, т.е. како се копира, пред поделбата на клетките, така што ќерките ќе добијат идентична копија на ДНК на матичните клетки.
И, конечно, по многу патувања и пресметки, по расправии со колеги научници и горчливи разочарувања кога работите се покажаа како погрешни, по безброј обиди да се изградат тродимензионални метални модели, така што сè ќе се собере лесно, природно и беспрекорно, Дојде денот - 28 февруари 1953 година, како што е наведено со плакета на wallидот на „Орелот“ - кога Крик и Вотсон влегоа во предметното место и Крик, кого Вотсон во својата книга го опишува како крајно зборлест и со силно смеење, тој во големата уста викна дека ја откриле тајната на животот!
Потоа следуваше официјалното соопштение од раководителот на лабораторијата Кавендиш, сер Лоренс Брег, за вестите на научна конференција, проследено со објавување на статијата потпишана од двајцата во списанието „Природа“, со наслов „Структура за деоксирибоза нуклеинска киселина“ - скромен наслов, по што не можеше да претпоставиш дека тоа е една од најпосакуваните научни победи на сите времиња, подоцна прогласена за најважно научно откритие на дваесеттиот век.
Молекуларната генетика е изградена врз оваа основа, од која очекуваме, за во иднина, решавање на безброј проблеми на човештвото: глад, болести и други. Во моментов, не минува една недела без лабораторија во светот да објави дека открила нешто во врска со генот. Но, ова не би било можно без откривање на структурата на ДНК, полинуклеотидната молекула од која се составени гени, за чудесната спирала во чиј состав е впишана тајната на животот.