DNA jest nie tylko esencją życia bakterii i fagów: zapisuje genetyczne recepty wszystkich żywych stworzeń na Ziemi. Jedynym wyjątkiem są pewne wirusy, które wykorzystują jego chemicznego kuzyna, kwas rybonukleinowy (RNA) – a ponieważ nie rozmnażają się samodzielnie, wciąż trwa debata, czy rzeczywiście można je nazwać organizmami żywymi.
Informacja w DNA jest zapisana za pomocą jedynie czterech „liter” znanych jako nukleotydy lub zasady (zob. ramka). Jednak ten prosty alfabet wystarcza do stworzenia organizmów tak różnych jak człowiek i śledź, żaba czy paproć. Buduje zarówno geny wytwarzające białka, jak i ich genetyczne przełączniki, które je włączają i wyłączają i jest samopowielający się, tak że całą informację można skopiować za każdym razem, gdy komórka się dzieli. Jest to oprogramowanie życia zawierające informację potrzebną do budowy i obsługi organizmu.
Alfabet DNA
Każda cząsteczka DNA składa się z fosforanów i cukrów, które stanowią jego zrąb, i bogatych w azot związków chemicznych znanych jako nukleotydy lub zasady, które kodują informację genetyczną. Istnieją cztery rodzaje zasad – adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T) – i razem stanowią litery, za pomocą których spisany jest kod genetyczny. Zasady można podzielić na dwie klasy: adenina i guanina są strukturami większymi, zwanymi purynami, a cytozyna i tymina są mniejszymi – pirymidynami. Każda puryna ma pasującą do niej, komplementarną pirymidynę, z którą będzie się wiązać – A wiąże się z T, a C z G. Mutacje zwykle zastępują purynę puryną, a pirymidynę pirymidyną, A zwykle mutuje w G, a C w T.
MYŚL W PIGUŁCE
Geny wytwarzają białka i są zbudowane z DNA
James Watson: „Wtedy… wszystkim, na czym mi zależało, była struktura DNA… Pomocne było to, że w Cambridge w zasadzie nie było dziewczyn”.
LINIA CZASU
1950
Erwin Chargraff (1905–2002) odkrywa, że stosunki adeniny do tyminy i cytozyny do guaniny są zawsze takie same, sugerując, że zasady te tworzą pary
1951
Linus Pauling (1901–1994) proponuje potrójną helisę jako strukturę DNA
1952
Rosalind Franklin (1920–1958) robi rentgenowskie obrazy krystalograficzne DNA, które sugerują podwójną helisę
1953
Francis Crick (1916–2004) i James Watson (ur. 1928) identyfikują podwójną helisę
Trudno się dziwić, że gdy Francis Crick podczas lunchu z Jamesem Watsonem w pubie Eagle w Cambridge 28 lutego 1953 roku oświadczył, że właśnie „odkryli sekret życia”, pozostali uczestnicy spotkania byli nieco sceptyczni. Crick był 36-letnim fizykiem, który jeszcze nie ukończył doktoratu. Jego amerykański współpracownik miał zaledwie 24 lata. Ponadto wyraźnie zabroniono im zajmować się problemem, który, jak twierdzili, właśnie rozwiązali: budową cząsteczki DNA, która od dekady była uznawana za nośnik dziedziczności. Nawet Watson, niebędący osobą znaną z ostrożności, był nieco zdezorientowany bezpośredniością swego przyjaciela, gdyż sam wciąż brał pod uwagę, że mogą się mylić.
Martwił się niepotrzebnie. Ich odkrycie, że DNA jest zwinięty w podwójną helisę, plasuje się jako jedno z najważniejszych osiągnięć XX wieku wraz z teorią względności Einsteina i rozbiciem atomu. Pierwsi genetycy jasno wykazali, że geny są odpowiedzialne za dziedziczenie, mieli jednak niewiele do powiedzenia o procesach chemicznych za to odpowiedzialnych. Crick i Watson to zmienili, pokazując, w jaki sposób w rzeczywistości działają geny. Rozpoczęli nową erę biologii molekularnej, w której można śledzić, planować, a nawet zmieniać aktywność genetyczną.
‘ Wydaje się prawdopodobne, że większość informacji genetycznej w organizmach jest przenoszona przez kwas nukleinowy – zwykle przez DNA, choć pewne małe wirusy wykorzystują RNA jako swój materiał genetyczny. ’
Francis Crick
Budowa podwójnej helisy jasno wskazała także sposób, w jaki informacja genetyczna jest kopiowana podczas podziału komórki, gdzie każda z nici stanowi matrycę, na podstawie której instrukcja może zostać zduplikowana. Jak Crick i Watson donieśli w krótkim artykule, który opublikowali w „Nature” w kwietniu: „Nie uszło naszej uwagi, że specyficzne tworzenie par, które postulujemy, natychmiast sugeruje prawdopodobny sposób kopiowania materiału genetycznego”.
Wydaje się prawdopodobne, że większość informacji genetycznej w organizmach jest przenoszona przez kwas nukleinowy – zwykle przez DNA, choć pewne małe wirusy wykorzystują RNA jako swój materiał genetyczny.
Poszukiwanie budowy Znaczenie DNA dla dziedziczności powszechnie podejrzewano na początku lat 50. XX wieku i kilka zespołów starało się ustalić jego budowę cząsteczkową. W Stanach Zjednoczonych Linus Pauling właśnie wykazał, że wiele białek jest zwiniętych w struktury podobne do sprężyny i zasugerował, że DNA może być potrójną helisą, jednakże się mylił. W tym samym czasie w King’s College w Londynie Rosalind Franklin i Maurice Wilkins badali DNA, wykorzystując dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego, pokazującą, w jaki sposób cząsteczka rozprasza promieniowanie, z czego można wyciągnąć wnioski o jej budowie.
W Cambridge Crick i Watson mieli użyć tego samego narzędzia w innym celu – celem Cricka miała być budowa białka, a Watsona – wirus mozaiki tytoniowej, ale stwierdzili, że DNA jest znacznie bardziej interesujący. Przez pewien czas jednak szef ich laboratorium, Laurence Bragg, zabronił im zajmowania się tym tematem, gdyż uważał za niezgodne z zasadami dobrego wychowania wchodzenie na terytorium badawcze zajęte przez King’s College.
Linus Pauling
W wyścigu o identyfikację struktury DNA obstawiano zwycięstwo nie Watsona i Cricka, ale Linusa Paulinga – błyskotliwego amerykańskiego chemika, który już wcześniej dokonał epokowego odkrycia dotyczącego budowy białek i wiązań chemicznych. Pauling jako pierwszy zasugerował strukturę helikalną dla cząsteczki DNA, mimo że mylił się w pewnych szczegółach. I mógłby nawet znokautować drużynę z Cambridge, gdyby nie jego aktywność polityczna. W 1952 roku został oskarżony o sympatie komunistyczne i odebrano mu paszport. Musiał zatem zrezygnować z podróży do Wielkiej Brytanii i nigdy nie miał okazji zobaczyć obrazów wykonanych przez Franklin, które pomogły Watsonowi i Crickowi rozwiązać problem.
Mroczna dama DNA
Udział Rosalind Franklin w odkryciu podwójnej helisy jest źródłem nieustających kontrowersji. Waga jej obrazów rentgenowskich pozostaje bezdyskusyjna, a obserwatorzy tacy jak jej biografka, Brenda Maddox, uważają, że stała się ofiarą seksizmu, który nie pozwolił na to, aby została doceniona tak, jak na to zasługuje. Crick, Wilkins i, zwłaszcza, Watson nie zaznaczyli wówczas jej udziału we właściwy sposób, ale używali merytorycznego uzasadnienia takiego postępowania – chociaż badania Franklin były fundamentalne, ona sama nigdy nie doceniła ich znaczenia. Została także wyłączona z Nagrody Nobla w dziedzinie Medycyny, którą to trio podzieliło się w 1962 roku z bardzo niewinnego powodu: zmarła na raka jajnika w 1958 roku, a nagród Nobla nigdy nie przyznaje się pośmiertnie.
Pracowali