Jedinstvena odlika svih živih vrsta je sposobnost jedinki da daju sebi slične potomke – da produžuju svoju vrstu. Povrh toga, potomci su mnogo sličniji svojim roditeljima no manje srodnim jedinkama iste vrste. Tu stabilnost osobina iz generacije u generaciju zovemo nasljeđivanje.
Još 1869. godine njemački biokemičar Johan Friedrich Miescher otkrio je unutar jezgre bijelih krvnih stanica tvar koju je nazvao „nuklein“. Ubrzo se doznalo da je ova tvar dugački nitasti polimer građen od šećera, fosfatne kiseline i nekoliko dušikovih baza te je dobila ime – nukleinska kiselina. Danas prema različitim šećerima koji sadrži razlikujemo ribonukleinsku (RNA) i deoksiribonukleinsku (DNA) kiselinu.
Iako su ubrzo postali poznati Mendelovi zakoni nasljeđivanja, još dugi niz godina nitko nije povezao ovu čudnu, dugačku molekulu s nasljednim jedinicama – genima. Prvi dokazi da je upravo DNA odgovorna za nasljeđivanje roditeljskih osobina pojavili su se tek u prvoj polovici 20. stoljeća, no većina znanstvenika još je uvijek smatrala da su geni građeni od proteina. Tek je iza Drugog svjetskog rata široko prihvaćena ideja da je DNA stanične jezgre nositelj nasljednih svojstava. Da bi potvrdila ovu činjenicu te razumjela način na koji se odvija nasljeđivanje osobina, znanost je još uvijek trebala otkriti kako je prostorno građena ova molekula i na koji način čuva nasljednu informaciju.
Otkriće
Kasnih 40-tih i ranih 50-tih godina prošlog stoljeća mnogo je znanstvenika različitih struka radilo na otkrivanju građe velikih biološki važnih molekula. Većina ih se koncentrirala na istraživanja različitih proteina, poput hemoglobina ili inzulina, no radilo se i na analizi nukleinskih kiselina. Godine 1950. Erwin Chargaff je kemijskom analizom utvrdio da je omjer pojedinih dušikovih baza u DNA uvijek isti: omjer adenina (A) i timina (T) te citozina (C) i gvanina (G) uvijek je bio 1 naprama 1 (A/T=C/G=1/1).
U proljeće 1951. godine na jednom znanstvenom skupu o strukturi biomolekula, predavanja Mauricea Wilkinsa o molekuli DNA te Linusa Paulinga o zavojitoj prostornoj građi nekih proteina pobudilo je znanstvenu znatiželju mladog američkog zoologa Jamesa Watsona. U listopadu iste godine on odlazi na Sveučilište u Cambridgeu da bi istraživao strukture biomolekula. Ubrzo tamo susreće srodnu dušu – engleskog fizičara Francisa Cricka, s kojim dijeli interese, te oni započinju zajednička istraživanja prostorne građe molekule DNA. Više od godinu dana isprobavali su različite mogućnosti, iščitavali svu dostupnu literaturu i dugo raspravljali. Stvarali su i odbacivali različite modele prostornog rasporeda atoma i skupina u molekuli DNA. Za njihove pretpostavljene sve je to predugo trajalo te su im u jednom trenutku naredili da prestanu gubiti vrijeme i napuste ova „uzaludna istraživanja“. Mladi i uporni, Watson i Crick su nastavili svoja istraživanja u tajnosti.
Istovremeno, na King’s koledžu u Londonu, na istraživanju strukture DNA radili su Maurice Wilkins i Rosalind Franklin. Za razliku od Watsona i Cricka, oni su se odlučili za eksperimentalni pristup te su metodom rendgenske kristalografije snimali pojedinačne molekule DNA. Na osnovi svojih rezultata Rosalind Franklin je zaključila da se fosfatne skupine moraju nalaziti s vanjske strane molekule. Tijekom 1952. godine dobila je vrlo lijepe fotografije DNA koje su ukazivale na njenu zavojitu građu, no odlučuje ne objaviti ova otkrića sve dok u njih ne bude posve sigurna. Nezadovoljan njezinim oklijevanjem, Maurice Wilkins u siječnju 1953. bez njezinog znanja i pristanka, pokazuje njezine rezultate (fotografije i mjerenja kristalne rešetke DNA) Watsonu.
Ove fotografije navele su Watsona i Cricka na misao da se molekula DNA sastoji od dva lanca nukleotida, oba spiralno zavijena oko zajedničke osi, ali međusobno suprotno usmjerena – komplementarna. Krajem veljače 1953. povezavši ovo s Chargafftovim otkrićem omjera baza, zaključili su da se dušikove baze dvaju lanaca spajaju vodikovim mostovima, tako da u unutrašnjosti zavojnice nasuprot adenina u jednom lancu u drugom uvijek stoji timin, tj. nasuprot gvanina citozin. Da bi sve ovo provjerili, sagradili su danas slavni model od priručnog materijala – kartona i laboratorijskih hvataljki. Na ovom modelu, vanjski kostur zavojnice činile su fosfatne skupine i šećeri, a na svaki je šećer s unutrašnje strane bila vezana po jedna dušikova baza.
Svoj model dvostruke zavojnice DNA Watson i Crick su objavili 25. travnja 1953. godine, u članku od samo dvije stranice, u cijenjenom znanstvenom časopisu Nature. Članak je bio ilustriran Watsonovim crtežom dvostruke zavojnice ili spiralno zavijenih ljestava te fotografijom DNA koju je difrakcijom X-zraka snimila Rosalind Franklin.
Struktura DNA
Njihov teorijski model kasnije su eksperimentalnim rezultatima potvrdili i nadopunili drugi istraživači. Deoksiribonukleinska kiselina (DNA) – kemijska osnova nasljeđivanja – vrlo je dugačka, nitasta makromolekula, polimer velikog broja deoksiribonukleotida ili kraće – nukleotida. Svaki nukleotid se sastoji od molekule šećera deoksiriboze, fosfatne kiseline i jedne od četiri dušične baze: dvije purinske (adenin i gvanin) te dvije pirimidinske (timin i citozin).
Dva polinukleotidna lanca molekule DNA zavijena su oko zajedničke osi. Lanci su suprotnog usmjerenja – kažemo da su komplementarni. Vanjsku okosnicu DNA, nepromjenjivu duž cijele molekule, čine deoksiriboze međusobno povezane preko fosfatnih skupina tzv. fosfodiesterskim vezama. Purinske i pirimidinske baze smještene su u unutrašnjosti zavojnice (spirale ili heliksa). Vodikove veze koje povezuju baze na dva komplementarna lanca (tzv. komplementarne parove baza) uvijek nastaju na isti način – purin s jednog lanca uvijek se sparuje s pirimidinom na komplementarnom lancu. Adenin uvijek s timinom stvara dva, a gvanin s citozinom tri vodikova mosta. Upravo ta specifičnost pri sparivanju baza je najvažnije svojstvo dvostruke zavojnice DNA. Slijed baza duž polinukleotidnog lanca nije ničime ograničen i on čini promjenjivi dio molekule. Upravo redoslijed ovih baza nosi nasljednu informaciju.
Čuvanje nasljedne informacije
Nekoliko mjeseci nakon izdavanja rada o strukturi DNA, Watson i Crick objavili su u istom časopisu još jedan članak u kojem su predložili mogući način udvostručavanja molekule DNA, objasnivši time kako ova molekula čuva nasljednu informaciju. Ovaj model kasnije su svojim radom nadopunjavali drugi istraživači. No kao i struktura dvostruke zavojnice, i model koji su predložili za njezino umnažanje pokazao se gotovo do detalja točnim.
Na početku umnažanja uz pomoć enzima DNA-helikaze razdvajaju se spiralno zavijeni lanci DNA. Vodikovi mostovi između njih pucaju, molekula se otvara poput patentnog zatvarača te svaki od njenih lanaca služi kao kalup za sintezu novog, suprotno usmjerenog lanca. Enzim DNA-polimeraza, na osnovi zapisa na roditeljskom lancu, slaže jedan po jedan aktivirani nukleotid. Nukleotidi se sparuju s kalupom po principu komplementarnosti baza. DNA-ligaza spaja šećerne dijelove nanizanih nukleotida fosfodiesterskim vezama, stvarajući okosnicu novog lanca. Kad odmatanje i sinteza prođu duž čitave molekule, nastaju dvije molekule-kćeri. Svaka od njih je identična kopija originalne dvolančane zavojnice. Ovaj model je kasnije nazvan semikonzervativnom replikacijom jer svaka molekula-kći sadrži jedan originalni roditeljski i jedan novonastali lanac. Ovaj proces se odvija u svakoj stanici svih živih bića prije no što se ona podijeli na dvije stanice-kćeri.
Revolucija
Struktura dvostruke zavojnice i model njezine replikacije dobro su se uklopili u eksperimentalne rezultate drugih istraživača, no još će neko vrijeme proći prije no što široka znanstvena zajednica prihvati ova otkrića. Iz današnje perspektive jasno je vidljivo da su to jedna od najvažnijih otkrića u povijesti biologije. Ove spoznaje izazvale su pravu revoluciju u biologiji, a ubrzo i u biomedicinskim i biotehnološkim znanostima.
U narednim godinama ubrzano su se nizale temeljne spoznaje o životu. Čovječanstvo je dokučilo na koji način informacija zapisana u DNA upravlja našim organizmom – otkrivena je uloga DNA u sintezi proteina. Uz poznavanje strukture DNA moglo se konačno objasniti podrijetlo promjena na genetičkom materijalu, razlike između jedinki iste vrste te razumjeti mehanizmi evolucije živog svijeta. Otkrivena je i pozadina nasljednih bolesti, poput hemofilije ili anemije srpastih stanica.
|
JESTE LI ZNALI?
|
Danas je analiza slijeda baza u DNA osnovni alat u forenzičkim istraživanjima: preko mikrotragova krvi ili kose identificiraju se žrtve i počinitelji zločina. Sličnom analizom dokazuje se i očinstvo.
Nekoliko godina iza dvostruke zavojnice, razvijena je tehnologija rekombinantne DNA (niz metoda uz pomoć kojih je moguć unos stranih gena u nasljednu informaciju neke vrste) i temeljito promijenila biotehnologiju. Danas tako genetski modificirane organizme susrećemo u svakodnevnom životu. Na ovoj se tehnologiji temelji i genska terapija nasljednih bolesti, npr. cistične fibroze. Tehnologija sekvencioniranja gena omogućila je da danas poput knjige čitamo genome sve većeg broja organizama – odnedavno i čovjeka. Uzlet molekularne biologije doveo je do niza novih dostignuća, među kojima i do kloniranja sisavaca. Lavina pokrenuta otkrićem dvostruke zavojnice ni danas nije zaustavljena – trenutačno oko 50% svih znanstvenika u svijetu radi na istraživanjima koja su na neki način povezana s otkrićem dvostruke zavojnice. |
Ostalo je povijest…
James Watson i Francis Crick podijelili su 1962. godine s Mauriceom Wilkinsom Nobelovu nagradu za fiziologiju i medicinu koju su dobili „za otkrića vezana uz molekularnu strukturu nukleinskih kiselina i njezino značenje u prijenosu (nasljednih) informacija u živih bića“.
Još su neko vrijeme nastavili zajednički rad. Ovaj put predmet njihova istraživanja bio je građa malih virusa. Godine 1956. Watson se vraća u Sjedinjene Američke Države i prihvaća posao na Biološkom odsjeku Sveučilišta Harvard, gdje istražuje ulogu RNA u sintezi proteina. Desetak godina kasnije, 1968. godine, postaje direktor laboratorija Cold Spring Harbor – i danas jedne od vodećih institucija za molekularnu biologiju. Iste godine izdaje i knjigu Dvostruka zavojnica posvećenu otkriću strukture DNA.
Ova je knjiga jedno od najprodavanijih izdanja popularno-znanstvene literature. Prije četiri godine prevedena je i na hrvatski jezik. Neko vrijeme bio je i direktor multinacionalnog projekta Ljudski genom. Francis Crick je nastavio biokemijska i genetička istraživanja na Cambridgeu i s vremenom postao voditelj Odjela za molekularnu genetiku. Godine 1975. i on seli u SAD, gdje mijenja znanstveno područje i u institutu Salk na Floridi se počinje baviti neuroznanostima. Maurice Wilkins nastavio je svoj istraživački rad na King’s koledžu, postavši profesorom molekularne biologije i biofizike.
Iako je to nedvojbeno zaslužila, Rosalind Franklin, čije su fotografije bile ključni dokaz za ispravnost modela dvostruke zavojnice, nije s kolegama podijelila Nobelovu nagradu. Još neko vrijeme je nastavila svoj rad na DNA i eksperimentalnim rezultatima dala potporu ispravnosti modela dvostruke zavojnice. Kasnije je istraživala virus mozaične bolesti duhana. Umrla je od raka 1958. godine, u 38. godini života. Zasluženo priznanje znanstvene zajednice za svoj doprinos otkriću strukture DNA dobila je tek mnogo godina kasnije.
