/

Słodko-gorzka historia odkrycia struktury DNA

avatar
Emilia Korczmar 26 Kwi, 7 minut czytania

https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/kr/catalog/nlm:nlmuid-101584586X129-img

Myśliciele na całym świecie od wieków poszukiwali wytłumaczenia w jaki sposób organizmy rozwijają się i przekazują swoje cechy potomstwu. W 1859 roku Charles Darwin po raz pierwszy sformułował teorię ewolucji, która stała się drogowskazem dla kolejnych badaczy [1]. Przełomowe były także eksperymenty Gregora Mendla, który zdefiniował podstawowe zasady genetyki, analizując dziedziczenie cech u grochu zwyczajnego [2]. Dzięki rozwojowi mikroskopii po raz pierwszy udało się zajrzeć do wnętrza komórek i zaobserwować różnorodne organelle. Jądro komórkowe cieszyło się dużym zainteresowaniem naukowców. W 1866 roku Ernst Haeckel zasugerował, że w strukturze tej zawarty jest czynnik determinujący cechy organizmów [3].

Trzy lata później z jąder komórkowych wyizolowano nieznaną dotychczas substancję – nukleinę. Tego przełomowego odkrycia dokonał Friedrich Miescher – młody lekarzy badający leukocyty na Uniwersytecie w Tybindze [4]. Procedurę izolacji udoskonalił Richard Altmann, umożliwiając pozyskanie kwasu nukleinowego pozbawionego białek [5]. Z czasem kolejni naukowcy poznawali „cegiełki” budujące kwasy nukleinowe. Istotny wkład wnieśli Albrecht Kossel, który wyizolował poszczególne zasady azotowe, a także Phoebus Levene – twórca terminu „nukleotyd”. Na początku XX wieku znano już wszystkie składniki kwasów nukleinowych, lecz ich funkcja przez kilkadziesiąt lat była owiana tajemnicą. Cząsteczka DNA wydawała się być zbyt prosta, by mogła ona determinować tak różne i skomplikowane cechy komórek. Funkcji tej doszukiwano się wśród białek, ze względu na ich ogromną różnorodność. Dziś wiemy, że dzięki mechanizmom epigenetycznym ta sama sekwencja DNA może być odczytywana na wiele różnych sposobów, dzięki czemu komórki w obrębie jednego organizmu są tak bardzo zróżnicowane.

Przełom nastąpił w 1944 roku, gdy Oswald Avery udowodnił, że czynnikiem determinującym cechy bakterii jest DNA [6]. W tym samym roku ukazał się również esej Erwina Schrödingera pt. „Czym jest życie?” [7]. Austriacki fizyk sugerował, że chromosomy są nośnikiem informacji na temat organizmów. Publikacje Avery’ego i Schrödingera wywołały nowe pytania o strukturę i działanie DNA. Dla jednego badacza temat ten stał się tak wielką inspiracją, że postanowił on porzucić dotychczasowe eksperymenty i przeorganizować swoje laboratorium w taki sposób, by całkowicie skoncentrować się na badaniu DNA. Był to austriacki biochemik Erwin Chargaff. Podążając za wnioskiem Avery’ego, zgodnie z którym DNA determinuje cechy organizmów, Chargaff postanowił w pierwszej kolejności zbadać cząsteczki pochodzące od różnych gatunków. Wkrótce okazało się, że różnią się one pod względem zawartości zasad azotowych. Badania doprowadziły naukowca do konkluzji, które znane są dziś jako „reguły Chargaffa”. Opisują one proporcje zasad azotowych w pojedynczej cząsteczce DNA: zawartość guaniny jest równa zawartości cytozyny, natomiast zawartość tyminy odpowiada zawartości adeniny [8].

Nie tylko Chargaff zapalczywie poszukiwał modelu struktury DNA. W 1951 roku opowiedział on o wynikach swoich badań podczas spotkania z dwoma naukowcami, których nazwiska niedługo później zyskały ogromną sławę. Byli to Francis Crick oraz James Watson z Uniwersytetu w Cambridge, dla których rozważania Schrödingera również były wielką inspiracją. Mimo wspólnej pasji, młodzi badacze nie wywarli dobrego wrażenia na Chargaffie. Crick, słysząc o równych proporcjach między A i T oraz C i G, zaczął intensywnie myśleć o zasadzie komplementarności, zgodnie z którą adenina zawsze łączy się z tyminą, a cytozyna z guaniną. Z wrażenia, w trakcie rozmowy zapomniał nazw zasad, przez co jeszcze bardziej stracił w oczach Chargaffa. Wkrótce Erwin Chargaff zdał sobie sprawę, jak bardzo nie doceniał młodych naukowców [9].

W tym samym roku do Londynu przybyła wybitnie uzdolniona Rosalind Franklin, która już w wieku piętnastu lat zapragnęła podążać ścieżką nauki. Po doktoracie w Cambridge badaczka wyjechała do Paryża, gdzie nauczyła się technik dyfrakcji promieniowania X. Nową wiedzę Rosalind wykorzystała podczas trzyletniego stypendium naukowego w King’s College w Londynie, gdzie zajęła się badaniem struktury DNA. Mimo perspektywy prowadzenia interesujących badań, powrót Rosalind do Wielkiej Brytanii nie należał do najłatwiejszych. Seksizm panujący w świecie nauki był tam znacznie bardziej odczuwalny, zaś Francja była ukochanym krajem Rosalind. Dziś szokującym może być fakt, że w połowie XX wieku w Wielkiej Brytanii wciąż istniały puby wyłącznie dla mężczyzn. Zakaz wstępu dla kobiet obowiązywał również w uniwersyteckiej kawiarni w King’s College. Maurice Wilkins, który również badał DNA przy pomocy promieniowania X, po przyjeździe Rosalind Franklin z góry założył, iż będzie ona jego asystentką, co dobitnie ukazuje ówczesny stosunek do kobiet w nauce. Nieprzyjemny początek ich relacji niestety nigdy nie uległ poprawie. [10]

Obraz zawierający tekst, czarny, biały, sztanga Opis wygenerowany automatycznie

Ryc. 1. „Fotografia 51” przedstawiająca kryształ soli sodowej DNA.

Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Photo_51_x-ray_diffraction_image.jpg

 

Pierwsze fotografie DNA, wykonane z użyciem dyfrakcji promieni X, powstały już w latach 30. XX wieku dzięki Florence Bell, młodej doktorantce pracującej w laboratorium Williama Astbury’ego. Bell opublikowała wyniki badań w Nature, opisując cząsteczkę DNA jako „stos groszy” [11]. Choć model przedstawiony przez Florence Bell nie był poprawny, wykorzystywana przez nią rentgenografia strukturalna wkrótce umożliwiła wykonanie bardziej precyzyjnych fotografii. We współpracy z doktorantem Raymondem Goslingiem, Rosalind Franklin wykonała zdjęcia skrystalizowanych soli DNA, na podstawie których ustaliła podstawowe wymiary pojedynczej cząsteczki kwasu deoksyrybonukleinowego. Wywnioskowała także, iż reszty kwasu fosforowego znajdują się na zewnątrz cząsteczki, co spowodowane jest jej helikalną budową. Rosalind Franklin zaprezentowała wyniki swojej pracy podczas wykładu w King’s College. Wśród jej słuchaczy znalazł się James Watson, który skrupulatnie notował słowa Rosalind. Nie udało mu się jednak uchwycić wszystkich informacji, a przede wszystkim nie zdążył on przerysować struktury DNA widocznej na zdjęciu zaprezentowanym przez naukowczynię. Mimo to, słynna „Fotografia 51” trafiła wkrótce w ręce Jamesa Watsona i Francisa Cricka bez wiedzy autorki, za sprawą Maurice Wilkinsa.

Przy pomocy kartonowych elementów reprezentujących składniki nukleotydów, Watson i Crick starali się odtworzyć model podwójnej helisy. Początkowo napotykali trudności spowodowane błędnym narysowaniem tyminy i guaniny. Gdy amerykański chemik Jerry Donohue zwrócił na to uwagę, badacze wycięli z kartonu nowe modele zasad azotowych i ponownie ułożyli je zgodnie z zasadą komplementarności [12]. Wszystkie „puzzle” trafiły we właściwe miejsce – zasady azotowe pasowały do siebie idealnie, a reguły Chargaffa zostały zachowane. 28 lutego 1953 roku James Watson i Francis Crick ogłosili w pubie „The Eagle”, iż poznali tajemnicę życia (co uwiecznia znajdująca się w owym pubie tabliczka). Dwa miesiące później ich publikacja ukazała się w czasopiśmie Nature [13]. W tym samym wydaniu znalazły się również artykuły związane z budową DNA autorstwa Wilkinsa i Stokesa oraz Franklin i Goslinga, lecz kompletny model struktury DNA zawarty był w publikacji Watsona i Cricka. Spektakularne odkrycie początkowo przez wielu naukowców było odbierane sceptycznie. Rosalind Franklin, będąca de facto współodkrywczynią struktury DNA, na widok przestrzennego modelu Watsona i Cricka zapytała: „To bardzo piękne, ale jak oni zamierzają to udowodnić?” [14]. Jednak przedstawiony model, a w szczególności zasada komplementarności, wskazywały na możliwość powielania cząsteczki DNA, dzięki czemu jest ona nośnikiem informacji genetycznej.

Kontrowersje wokół odkrycia struktury DNA zaczęły narastać w 1962 roku, gdy Francis Crick, James Watson i Maurice Wilkins otrzymali Nagrodę Nobla. Rosalind Franklin została pominięta, ponieważ zmarła cztery lata wcześniej, a Nagroda Nobla nie może być przyznawana pośmiertnie. Częsta ekspozycja na promieniowanie X prawdopodobnie przyczyniła się do rozwoju nowotworu jajnika. Mimo trwającego leczenia, Rosalind spędziła swoje ostatnie kilkanaście miesięcy pracując w laboratorium w Birkbeck College, dokąd przeniosła się z powodu złej atmosfery panującej w King’s College. Jej przyjaciółka Anne Sayre wspominała:

Walczyła ze śmiercią uparcie i z odwagą, planowała życie, kiedy plany były już kpiną. Umarła tak, jak żyła, z pasją do życia, z którego nigdy nie zrezygnowała. 16 kwietnia 1958 roku, w wieku trzydziestu siedmiu lat, Rosalind Franklin przegrała bitwę. [15]

 

Ryc. 2. Rosalind Franklin w trakcie letniej podróży po Toskanii, fot. Vittorio Luzzati, ok. 1950, fotografia z Kolekcji Jennifer Glynn, [za:] U.S. Library of Medicine

Obraz zawierający tekst, zewnętrzne, stare Opis wygenerowany automatycznie

Podczas przemowy noblowskiej tylko Wilkins wspomniał o Rosalind. Milczenie Watsona i Cricka przyczyniło się do zapomnienia o współodkrywczyni struktury DNA. Co więcej, James Watson w swojej książce pt. „Podwójna helisa” przedstawił bardzo krytyczny portret Rosalind, opisując ją jako trudną i oschłą współpracowniczkę, a nawet oceniając jej wygląd [16]. Wspomnienia przyjaciół i znajomych były wręcz przeciwne – opisywali ją jako ciepłą, pogodną osobę z poczuciem humoru. Kochała podróże, sport oraz wszystko, co związane jest z Francją. Jednak to nauka była jej największą pasją wypełniającą codzienne życie. Napotykane trudności, takie jak seksizm i nieuczciwa gra współpracowników, nie zabiły w niej pasji do nauki.

Inaczej potoczyła się historia Erwina Chargaffa, który był o włos od odkrycia zasady komplementarności. Publikacja Watsona i Cricka wywołała w nim rozgoryczenie, które dodatkowo narosło, gdy Komisja Noblowska nie uwzględniła jego istotnego wkładu w odkrycie struktury DNA. Chargaff napisał o swoim wykluczeniu do naukowców na całym świecie. Poczucie niedocenienia i niesprawiedliwości prawdopodobnie wpłynęły na poglądy Chargaffa. Stał się on zagorzałym krytykiem biologii molekularnej, a w szczególności takich technik jak klonowanie i manipulacje genetyczne, gdyż uważał je za niebezpieczne [17].

Choć z poznaniem struktury DNA kojarzą nam się głównie nazwiska Watsona i Cricka, warto wiedzieć, że za sukcesem tym kryją się zapomniane lub niedopowiedziane historie wielu innych naukowców. Szczególnie sprawa Rosalind Franklin do dziś budzi kontrowersje. W 2003 roku z okazji złotego jubileuszu odkrycia struktury DNA, na ścianie słynnego pubu „The Eagle” odsłonięto tablicę upamiętniającą poznanie „tajemnicy życia” przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka. Kilka lat temu na tablicy tej pojawiło się nazwisko Franklin dopisane markerem przez anonimowego przechodnia [18]. Świat nauki stara się przywrócić pamięć o wybitnej naukowczyni. Jej imieniem tytułowane są liczne nagrody naukowe, jedna z odkrytych asteroid, a nawet łazik Europejskiej Agencji Kosmicznej, który wkrótce ma zostać wysłany na Marsa.

 

Źródła:

[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] Avery, O.T. et al. 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.“ 1944, 79, 137–158

[7] Schrödinger, E. What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell, „Cambridge University Press“ 1944

[8] Chargaff E., Zamenhof S., Green C. Composition of human desoxypentose nucleic acid. „Nature” 1950, 165, s. 756-757.

[9] https://www.famousscientists.org/erwin-chargaff/

[10] Film pt. „Life story”, reż. Mick Jackson 1987

[11] Williams G. Unravelling the Double Helix „Pegasus Books“ New York 2019, 159-162

[12] Pray, L.  „Discovery of DNA structure and function: Watson and Crick.“ Nature Education 1(1):100 2008

[13] Watson J.D., Crick F.H.C. A structure for deoxyribonucleic acid. „Nature” 1953, 171, s. 737- 738.

[14] Holt, J. (2002) “Photo Finish: Rosalind Franklin and the great DNA race” The New Yorker October

[15] A. Sayre, Rosalind Franklin and DNA, W. W. Norton & Company 2000.

[16] J. Watson, Podwójna helisa. Historia odkrycia struktury DNA, Prószyński i S-ka, 1996.

[17] Chargaff E. Heraclitean Fire. Sketches from a life before Nature. „Rockefeller University Press“ 1978

[18] https://www.bbc.com/news/uk-england-cambridgeshire-41566541

 

Podziel się: