Życie – nowe otwarcie, czyli historia odkrycia struktury DNA

Dzisiaj nikt nie jest w stanie określić konsekwencji tej nowej, dokładnej wiedzy o mechanizmach dziedziczności. Możemy przewidzieć nowe możliwości pokonania chorób i zdobycia lepszej wiedzy o interakcji dziedziczności i środowiska oraz większego zrozumienia dla mechanizmów powstawania życia. W jakimkolwiek kierunku spojrzymy, widzimy nowe widoki. Dzięki odkryciom Cricka, Watsona i Wilkinsa możemy – cytując Johna Kendrew – zobaczyć »pierwsze przebłyski nowego świata«”. Tak mówił prof. Arne Engström z Karolinska Institute, zanim spełnił swój „skromny obowiązek” i poprosił trzech badaczy o przyjęcie Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1962 r.

Obserwacje naciągane i doskonałe

Oni ruszyli naukową Ziemię 9 lat wcześniej. W lutym 1953 r. James D. Watson i Francis H.C. Crick odkryli strukturę kwasu dezoksyrybonukleinowego. Ich artykuł na ten temat ujrzał światło dzienne 25 kwietnia w „Nature”. W tym samym numerze prestiżowego pisma Maurice H.F. Wilkins ze współpracownikami oraz Rosalind Franklin i Raymond G. Gosling przedstawili wyniki doświadczeń krystalograficznych dostarczających argumentów za słusznością modelu podwójnej helisy.

To było nie tylko rozwiązanie zagadki budowy DNA. Wreszcie pojawiło się wyjaśnienie, w jaki sposób informacja genetyczna jest powielana i przekazywana z pokolenia na pokolenie, nad czym łamał sobie głowę już Arystoteles. Odkrycie uruchomiło gwałtowny rozwój nauk biologicznych i biomedycznych. Nie tylko poszerzyło wiedzę o życiu, ale – jak zapowiadał Engström – umożliwiło bezpośrednie śledzenie ewolucji organizmów i leczenie wielu chorób.

Początek naukowej przygodzie, której ukoronowaniem była publikacja w „Nature”, dało jednak wielu innych ludzi.

Pierwszym był zakonnik z Brna Johann Gregor Mendel (POLITYKA 28/22). Krzyżując różne odmiany groszku, zauważył, że dziedziczeniem cech rządzą pewne konkretne reguły. Niektórzy podejrzewają, że trochę naciągał i koloryzował swoje wyniki, opublikowane w 1866 r. w pracy „Badania nad mieszańcami roślin” w prawie nieznanym czasopiśmie naukowym Brneńskiego Towarzystwa Przyrodników. Na pewno wiadomo, że nie wszystkie jego obserwacje były doskonałe. Dopiero w 1900 r. Carl Erich Correns, Erich Tschermak i Hugo de Vries niezależnie od siebie powtórnie odkryli opisane przez niego prawidłowości. A że od tej pory nazywane są one prawami Mendla, właśnie brneńczyk został pośmiertnie ojcem nauki o dziedziczeniu.

Wtedy nazwa jednostki dziedziczenia – gen – nie była jeszcze znana. Duńczyk Wilhelm Johannsen wymyślił ją dopiero w 1909 r. W ten sposób nominalnie dał początek genetyce. Podwaliny pod nowoczesną genetykę stworzył natomiast Amerykanin Thomas Hunt Morgan. Badając rozwój muszki owocowej, udowodnił, że geny ułożone są liniowo w zawartych w jądrze komórkowym strukturach zwanych chromosomami. Mimo tej wiedzy ciągle nie było jednak wiadomo, jaki związek chemiczny zawiera zapis informacji genetycznej – bo chromosomy zbudowane są zarówno z DNA, jak i z białek. Spekulowano, że nośnikiem genów są raczej białka, bo składają się aż z 20 różnych aminokwasów, których układ może być bardzo różnorodny, a DNA tylko z czterech różnych zasad azotowych (budujących wraz z cukrem dezoksyrybozą i grupami fosforanowymi, nukleotydy, czyli cząsteczki składowe DNA).

Informacje jawne i utajnione

A jednak w 1944 r. Oswald Theodore Avery, Kanadyjczyk pracujący w USA nad pneumokokami, wykazał, że nośnikiem genów jest DNA. Wielu biologów nie dawało wiary jego doświadczeniom. Nadal było bowiem tajemnicą, jak w tak prostym kwasie organicznym można by zapisać informację dotyczącą wszystkich cech genetycznych każdego organizmu. Odpowiedzi na ten dylemat dostarczyli dopiero Watson i Crick.

Zaproponowany przez nich model podwójnej helisy DNA zakładał połączenie nukleotydów zawierających zasady purynowe (A – adenina, G – guanina) i pirymidynowe (C – cytozyna, T – tymina) w pary we wnętrzu tej trójwymiarowej struktury. Zewnętrzną część tworzył zaś szkielet cukrowo-fosforanowy. Dopasowanie przestrzenne cząsteczek nukleotydów, w których zmieniającymi się elementami były tylko cząsteczki zasad azotowych (A lub G połączona zawsze z, odpowiednio, T lub C), gwarantowało termodynamiczną stabilność tego układu molekularnego. Zapewniało niezmienne oddalenie od siebie obu nici i zgadzało się z danymi fizykochemicznymi określającymi rozmiary cząsteczek budujących DNA.

Co więcej, autorzy twierdzili, że inny kwas nukleinowy – RNA, zawierający cukier rybozę, a nie dezoksyrybozę – nie może przybierać formy podwójnej helisy ze względu na inne rozmiary cząsteczki tego cukru. Wśród wielu proponowanych wówczas modeli tylko konstrukt Watsona i Cricka zapewniał pełną stabilność obu nici kwasu DNA i odróżniał go od RNA.

Model Watsona i Cricka umożliwiał też wyobrażanie sobie przebiegu powielania obu nici DNA. To zaś było niezbędne do zrozumienia zjawiska przekazywania informacji genetycznej z jednej komórki do drugiej – i w konsekwencji z jednego organizmu do jego potomstwa, co jest samym sednem procesu dziedziczenia. Z modelu wynikało, że po rozdzieleniu obu nici DNA i dołączeniu do każdej z nich nowych nukleotydów, zgodnie z niezmienną zasadą (A lub G zawsze z T lub C), każda z dwóch „starych” nici tworzyła komplementarną „nową” nić. Dzięki temu z jednej podwójnej helisy mogły powstać dwie nowe, identyczne jak wyjściowa.

Proponując swój model w 1953 r., obaj genetycy nie mieli jeszcze pojęcia, w jaki sposób kolejność nukleotydów w DNA mogłaby kodować tę informację. Nie wiedzieli również, jak następuje rozdzielanie obu nici DNA, dobudowywanie nowych nukleotydów do „starej” nici i tłumaczenie informacji zapisanej w DNA w postaci nukleotydów na odpowiednio połączone ze sobą aminokwasy tworzące łańcuch białka – ostateczny produkt genu. Model Watsona i Cricka – tylko i aż – otwierał możliwości zbadania procesów prowadzących do ujawniania się informacji genetycznej.

Kod niejasny i rozszyfrowany

Geniusz Watsona i Cricka polegał na odwadze zaproponowania kontrowersyjnego początkowo modelu – i podsunięciu innym genetykom pomysłów na to, jak sprawdzać jego funkcjonowanie w żywym organizmie. Na tym właśnie polegają pionierskie kroki w rozwoju nauki: odkrywcy proponują hipotezy, a następcy rozwijają ich myśli, weryfikując zgodność pierwotnych założeń z nowymi danymi doświadczalnymi.

Nowy model nie dawał konkretnych wskazówek, jak dochodzi do przepisania informacji zawartej w DNA na sekwencję aminokwasów w białkach. Tę tajemnicę złamali francuscy genetycy Jacques Monod, François Jacob i André Lwoff. Wykazali oni, że pośrednikiem między DNA i białkiem jest inny kwas nukleinowy – RNA, a dokładniej mRNA, czyli RNA „posłaniec” (ang. messenger RNA).

mRNA jest kopią zapisu fragmentu DNA odpowiadającego danemu genowi. Powstaje ona na tej samej zasadzie jak „nowa” nić DNA. Z tą jednak istotną różnicą, że RNA nie tworzy podwójnej helisy, lecz pojedynczą nową nić. Drugą ważną różnicą jest to, że zamiast tyminy zawiera inną zasadę azotową – uracyl, tworzącą nukleotyd oznaczony symbolem U. Informacja genetyczna zapisana w DNA za pomocą czterech liter A, G, C i T jest więc przepisywana na mRNA za pomocą czterech liter, tyle że są to litery A, G, C i U. Za to odkrycie Monod, Jacob i Lwoff otrzymali Nagrodę Nobla w 1965 r.

Do pełnego obrazu brakowało jednak ciągle wiedzy o kodzie, którego natura używa w tłumaczeniu informacji zapisanej w DNA, za pośrednictwem mRNA, na sekwencję aminokwasów w białkach. Rozszyfrować go udało się niecałe 10 lat po publikacji Watsona i Cricka. Kluczowe było doświadczenie, które w 1961 r. wykonali Marshall W. Nirenberg i Johann H. Matthaei.

Wykazali oni, że tego typu informację kodują trzy sąsiednie zasady azotowe – tzw. triplet – z mRNA (w ich przełomowym doświadczeniu był to triplet UUU kodujący aminokwas o nazwie fenyloalanina). Uznali, że skoro fenyloalaninę koduje triplet, to inne triplety będą kodować pozostałe aminokwasy. Idąc tym tropem, do 1966 r. rozszyfrowano sekwencje kodujące wszystkie aminokwasy budujące białka. Okazało się, że istnieje 61 ich rodzajów i że kodują one 20 podstawowych aminokwasów – a trzy dodatkowe triplety, zwane nonsensownymi (UAG, UGA, UAA), nie kodują aminokwasów, lecz dają sygnał do zakończenia procesu dołączania do siebie kolejnych aminokwasów.

Nirenberg i Matthaei mieli ogromne szczęście, że UUU nie był nonsensowny – i że nie zaczęli swoich badań od innego tripletu nonsensownego. W przeciwnym razie rozszyfrowanie kodu genetycznego zabrałoby o wiele więcej czasu.

Wkład cenny i niedoceniony

Ale wróćmy jeszcze do historii odkrycia podwójnej helisy. Watson i Crick nie działali w próżni naukowej. W 1952 r. norweski chemik Sven V. Furberg opublikował w czasopiśmie „Acta Chemica Scandinavica” model budowy DNA oparty na pojedynczej helisie. Tę właśnie formę nici wydedukował na podstawie badań dyfrakcyjnych struktury izolowanego DNA – prześwietlając kwas promieniowaniem rentgenowskim. Rok później amerykański chemik i fizyk kwantowy Linus C. Pauling zaproponował model helisy DNA złożonej z trzech nici DNA. Równocześnie swoje obserwacje prowadziła w King’s College w Londynie Rosalind Franklin. Wyraźnie sugerowały one, że DNA jest podwójną, a nie pojedynczą czy potrójną helisą.

Watson i Crick nie prowadzili doświadczeń. Wysnuli swoje wnioski na podstawie obrazów dyfrakcji promieni rentgenowskich w DNA otrzymanych przez Franklin i Maurice’a

Wilkinsa. One dały im pewność, że teoretyczny model ma oparcie w wynikach eksperymentalnych. Dlatego w „Nature” ukazały się trzy publikacje.

Rosalind Franklin zmarła na raka w kwietniu 1958 r. Nie dostała Nobla, choć jej wyniki były największym wkładem w potwierdzenie modelu.

Nauka prawdziwa i rzekoma

Watsona po latach dopadła nobelitis, tzw. choroba Nobla. Wielu laureatom tej nagrody sukces uderza do głowy – powoduje niezdrową manię wielkości i potrzebę głoszenia ekscentrycznych poglądów na każdy temat, nierzadko tylko pozornie opartych na nauce. Francuski fizjolog Charles Richet wierzył w postrzeganie pozazmysłowe i w zjawiska paranormalne. Linus Pauling twierdził, że niektóre nowotwory można leczyć witaminą C (sam pochłaniał astronomiczne jej ilości, bez widocznych efektów). Amerykański fizyk William Shockley był zwolennikiem utworzenia banku spermy geniuszy, do którego chciał oddać także swoje nasienie.

James Watson okazał się zaś nie tylko mizoginem, ale również homofobem i rasistą. Twierdził, że promienie słoneczne stymulują libido i dzięki temu Latynosi są dobrymi kochankami. Deklarował, że kiedy zostaną odkryte geny powodujące homoseksualność, to kobieta w ciąży z dzieckiem wyposażonym w takie geny powinna mieć prawo do aborcji. Największy skandal wywołało twierdzenie, że inteligencja Afroamerykanów jest niższa niż białych – z powodów genetycznych. Ponieważ Watson upierał się przy tym poglądzie, instytut badawczy w Cold Spring Harbor,

którego był wieloletnim dyrektorem, zakończył z nim współpracę i odesłał go na emeryturę. Za te poglądy spotkał go ostracyzm. Dziś 95-letni Watson dożywa swych lat w izolacji od świata nauki.

Francis Crick był wolny od wątpliwych objawień. W kalifornijskim Salk Institute zajął się badaniem zjawisk neurobiologicznych. Szukał istoty świadomości.

Geny uniwersalne i modyfikowane

Teoria dziedziczenia poparta modelem Watsona i Cricka szybko zaczęła uzupełniać i rozszerzać inną równie przełomową teorię – sformułowaną sto lat wcześniej przez Karola Darwina. Fakt, że DNA ma tę samą strukturę podwójnej helisy u bakterii i ludzi, świadczył o ich wspólnym pochodzeniu. O tym samym świadczy też uniwersalność kodu genetycznego, wspólnego dla wszystkich organizmów (z kilkoma małymi wyjątkami u pierwotniaków).

Najważniejsze dla ostatecznego potwierdzenia teorii ewolucji było porównanie zapisu genów (sekwencji nukleotydów) u różnych gatunków. Uwidoczniło, jak jedne gatunki przekształcały się w następne. Odtąd można już było w ten sposób datować zmiany zachodzące w trakcie ewolucji – uzyskać dostęp do prawdziwego zegara przyrody. To dzięki genetyce molekularnej teoria ewolucji Darwina przestała być tylko hipotezą, a stała się udowodnioną teorią naukową.

Publikacja sprzed 70 lat pozwoliła też na rozwój inżynierii genetycznej. Łączenie ze sobą różnych cząsteczek DNA, wymiana nukleotydów, usuwanie wybranych fragmentów DNA – np. metodą CRISPR/Cas9 – daje nieograniczone możliwości modyfikowania informacji genetycznej.

Dzięki takim zabiegom produkuje się już dziś tzw. CAR T-cells, czyli zmodyfikowane genetycznie w laboratorium limfocyty T pochodzące od pacjentów chorych na białaczkę, które po wstawieniu nowego genu są namnażane w laboratorium i wprowadzone ponownie do organizmu chorego. Ratują one życie pacjentów, zabijając komórki nowotworowe, dzięki wprowadzonemu do ich DNA genowi rozpoznającemu chore komórki. Modyfikacje genetyczne DNA mogą chronić przed zakażeniem HIV, a nawet usuwać tego wirusa z genomu ludzi zarażonych.

Inżynieria genetyczna już zmieniła oblicze medycyny, a jesteśmy dopiero na początku tej drogi. Bez odkrycia struktury DNA nie byłoby to w ogóle możliwe.