Od czasów starożytnych myśliciele na całym świecie usiłowali wytłumaczyć w jaki sposób organizmy rozwijają się i przekazują swoje cechy potomstwu. Cennymi drogowskazami w odpowiedzi na te pytania była teoria ewolucji Karola Darwina oraz podstawowe zasady dziedziczności cech, sformułowane przez Grzegorza Mendla [1, 2]. Przełom nastąpił w XVII wieku, kiedy po raz pierwszy obejrzano żywe komórki za pomocą mikroskopu udoskonalonego przez holenderskiego wynalazcę, Antoniego van Leeuwenhoek. Badacze z ciekawością obserwowali wnętrza różnorodnych komórek: erytrocytów, plemników, pierwotniaków, opisując cechy charakterystyczne widocznych organelli i stawiając hipotezy na temat ich funkcji. W 1866 roku niemiecki biolog Ernst Haeckel zasugerował, iż czynnik determinujący cechy organizmu znajduje się w jądrze komórkowym [3]. Trzy lata później, Friedrich Miescher wyizolował z jąder komórkowych nieznaną wcześniej substancję – nukleinę [4].
W kolejnych latach usiłowano odpowiedzieć na pytanie jaką funkcję pełni nukleina. Miescher sugerował początkowo, iż ze względu na wysoką zawartość fosforu, nukleina może być prekursorem lecytyny – intensywnie badanego wówczas fosfolipidu. Dwadzieścia lat po odkryciu nukleiny, Richard Altmann udoskonalił procedurę jej izolacji, dzięki czemu wyodrębnił część białkową oraz kwasową, którą nazwał kwasem nukleinowym [5]. Tymczasem Friedrich Miescher utrzymywał, iż nukleina i kwas nukleinowy to ta sama substancja oraz ubolewał nad wprowadzeniem nowej nomenklatury. W istocie badania Altmanna okazały się być przełomowe, gdyż umożliwiły bardziej szczegółowe analizy kwasu nukleinowego pozbawionego białek.
Ilustracja 1. Friedrich Miescher (1844-1895) – odkrywca nukleiny
[Źródło: https://pl.wikipedia.org/]
Do końca XIX stulecia wyizolowano wszystkie zasady azotowe – cegiełki wchodzące w skład kwasów nukleinowych: adeninę, tyminę, cytozynę, guaninę i uracyl. Ich analiza początkowo doprowadziła jednak do błędnych wniosków. Ponieważ uracyl obserwowano w kwasie nukleinowym pochodzącym z komórek roślin i drożdży, związek ten nazwano kwasem fitonukleinowym. Natomiast w komórkach zwierzęcych odnajdywano kwas tymonukleinowy, zawierający tyminę. Dziś wiemy, iż obecność tyminy lub uracylu jest jedną z podstawowych różnic w budowie DNA i RNA – kwasów nukleinowych obecnych we wszystkich komórkach żywych, niezależnie od ich pochodzenia. W 1914 roku Walter Jones zauważył, że w kwasie fitonukleinowym obecna jest ryboza, zaś w kwasie tymonukleinowym występuje inny cukier [6]. Kilkanaście lat później Phoebus Levene odkrył, iż tym cukrem jest 2-deoksy-D-ryboza. To właśnie wtedy, w 1930 roku, kwasy nukleinowe otrzymały nowe, obowiązujące do dziś nazwy – kwas rybonukleinowy (ang. ribonucleic acid, RNA) oraz kwas deoksyrybonukleinowy (ang. deoxyribonucleic acid, DNA).
Mimo tych odkryć nadal błędnie zakładano, iż RNA występuje tylko w komórkach roślinnych, zaś DNA jest charakterystyczny dla zwierząt. Pogląd ten obalił młody belgijski biochemik, Jean Brachet, który opracował metodę detekcji RNA w komórkach, a następnie dowiódł, iż oba kwasy nukleinowe występują zarówno w komórkach roślinnych, jak i zwierzęcych. Co więcej, wykazał on stałą zawartość DNA w komórkach tego samego gatunku oraz różnice w ilości RNA w różnych typach tkanek. Brachet twierdził, iż DNA jest nośnikiem informacji na temat białek, zaś RNA bierze udział w ich syntezie. Ponadto sugerował, iż DNA pełni istotną rolę w powstawaniu RNA [7]. Był to pierwszy zarys centralnego dogmatu biologii molekularnej, wyjaśniającego kluczową regułę ekspresji genów, a którego pełna forma została sformułowana przez Francisa Cricka piętnaście lat później.
Kolejny przełom nastąpił w 1944 roku, kiedy Avery, McLeod i McCarty pokazali, że DNA jest czynnikiem transformującym, dzięki któremu możliwe jest przenoszenie właściwości pomiędzy bakteriami [8]. Sposób funkcjonowania kwasów nukleinowych wciąż jednak pozostawał tajemnicą. Przez niemal 40 lat w świecie nauki obowiązywała hipoteza tetranukleotydu, według której kwasy nukleinowe składają się z powtórzeń czterech nukleotydów. W efekcie każda cząsteczka DNA lub RNA miała zawierać równe liczby C, G, A i T lub U. Gdyby model ten był zgodny z rzeczywistością, kwas deoksyrybonukleinowy nie mógłby być źródłem informacji genetycznej z powodu zbyt niskiej różnorodności sekwencji. W istocie przez wiele lat uważano, że to białka determinują różnorodne cechy organizmów, dlatego też hipoteza tetranukleotydu nie wzbudzała podejrzeń. Ponadto większość badanych wówczas kwasów nukleinowych, pochodzących m.in. z pszenicy, drożdży i grasicy cielęcej, rzeczywiście zawierała w przybliżeniu równe liczby zasad azotowych, co potwierdzało powyższą hipotezę. Po jej obaleniu, hipoteza tetranukleotydu została okrzyknięta naukową katastrofą i absurdalnym przykładem nadmiernego uproszczenia [9].
Ilustracja 2. Pojedyncza helisa RNA, podwójna helisa DNA, wzory zasad azotowych
[Źródło: https://pl.wikipedia.org/]
Hipoteza tetranukleotydu została obalona przez Erwina Chargaffa, który rozpoczął intensywne badania nad strukturą DNA pod wpływem inspiracji dwiema słynnymi publikacjami. Jedna z nich, dotycząca funkcji DNA, należy do Avery’ego i współpracowników. Druga natomiast jest esejem pt. „Czym jest życie?” autorstwa Erwina Schrodingera, który sugerował, iż chromosomy zawierają informację na temat organizmów. Chargaff postanowił zbadać kwasy nukleinowe pochodzące od różnych gatunków, a na podstawie analiz sformułował obowiązujące do dziś reguły Chargaffa, według których w pojedynczej cząsteczce DNA liczba adenin jest równa liczbie tymin (A = T), liczba guanin odpowiada liczbie cytozyn (G = C), a łączna liczba puryn (A i G) jest zawsze równa liczbie pirymidyn (T i C). Reguły Chargaffa w dużym stopniu przyczyniły się do odkrycia struktury DNA przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka w 1953 roku [10].
Powyższe dokonania były niczym kolejne elementy układanki, prowadząc do odkrycia mRNA, a następnie do rozszyfrowania kodu genetycznego 60 lat temu. Struktura i kluczowe funkcje kwasów nukleinowych zostały poznane na drodze prób i błędów. Błędy, choć niekiedy oddalają nas od prawidłowych wniosków przez długie lata, są istotne – uczą nas krytycznego myślenia i weryfikowania informacji, co jest szczególnie ważne w świecie nauki i nie tylko.
Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach.
Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂
Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG
Bibliografia:
[1] Darwin C. On the origin of species by means of natural selection, or preservation of favoured races in the struggle for life. (1st ed.) London, John Murray 1859.
[2] Mendel, Gregor. 1866. Versuche über Plflanzenhybriden. Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn, Bd. IV für das Jahr 1865, Abhandlungen, 3–47.
[3] Haeckel E. Generelle Morphologie der Organismen. Reimer, Berlin 1866, s. 287-288
[4] Miescher F. Ueber die chemische Zusmmensetzung der Eiterzellen. „Medicinisch-chemische Untersuchungen“ 1871, 4, s. 441-460.
[5] Dahm R. Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research, Springer-Verlag 2007
[6] Jones W (1914) Nucleic Acids — Their Chemical Properties and Physiological Conduct. Longmans, Green and Co., London
[7] Thomas R (1992) Molecular Genetics Under an Embryologist’s Microscope: Jean Brachet, 1909-1988. Genetics 131: 515-518
[8] Avery OT, MacLeod CM, McCarty M (1944) Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from Pneumococcus Type III. J Exp Med 79: 137–158
[9] Frixione E, Ruiz-Zamarripa L. The “scientific catastrophe” in nucleic acids research that boosted molecular biology. J Biol Chem. 2019;294(7):2249-2255.
[10] Korczmar EA, Belter A, Naskręt-Barciszewska M, Barciszewski J. “100 lat RNA. Diamentowy jubileusz informacyjnego RNA” Postępy Biochemii, Tom 67 Nr 3 (2021)
Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach.
Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂
Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG
