För exakt 65 år sedan publicerade de brittiska forskarna James Watson och Francis Crick en artikel om att dechiffrera strukturen för DNA och lägga grunden för en ny vetenskap - molekylärbiologi. Denna upptäckt har förändrats mycket i mänsklighetens liv. RIA Novosti berättar om DNA-molekylens egenskaper och varför den är så viktig.
Under andra hälften av 1800-talet var biologi en mycket ung vetenskap. Forskare började precis studera cellen, och begreppet ärftlighet, även om de redan formulerats av Gregor Mendel, fick inte ett stort erkännande.
Våren 1868 kom en ung schweizisk läkare, Friedrich Miescher, till universitetet i Tübingen (Tyskland) för att göra vetenskapligt arbete. Han tänkte ta reda på vilka ämnen cellen består av. För experiment valde jag leukocyter, som är lätta att få från pus.
Genom att separera kärnan från protoplasma, proteiner och fetter upptäckte Miescher en förening med högt fosforinnehåll. Han kallade denna molekylkärnan ("kärnan" på latin är kärnan).
Denna förening uppvisade sura egenskaper, därför betecknades uttrycket "nukleinsyra". Dess prefix deoxyribo betyder att molekylen innehåller H-grupper och sockerarter. Då visade det sig att det faktiskt var salt, men namnet ändrades inte.
I början av 1900-talet visste forskare redan att en nuklein är en polymer (det vill säga en mycket lång flexibel molekyl med upprepande enheter), enheterna består av fyra kvävebaser (adenin, tymin, guanin och cytosin), och kärnan finns i kromosomer - kompakta strukturer som uppstår i delande celler. Deras förmåga att överföra ärftliga egenskaper demonstrerades av den amerikanska genetikern Thomas Morgan i experiment med fruktflugor.
DNA-struktur.
Kampanjvideo:
Modellen som förklarade gener
Men vad deoxiribonukleinsyra, eller DNA för kort, gör i cellkärnan, förstod inte på länge. Man tänkte spela någon form av strukturell roll i kromosomer. Arvsenheterna - gener - tillskrevs proteintypen. Genombrottet gjordes av den amerikanska forskaren Oswald Avery, som experimentellt bevisade att genetiskt material överförs från bakterier till bakterier via DNA.
Det blev tydligt att DNA behövde studeras. Men hur? Vid den tiden var det bara röntgenstrålar tillgängliga för forskare. För att lysa biologiska molekyler genom dem var de tvungna att kristallisera, och detta är svårt. Avkryptering av proteinmolekylers struktur med röntgendiffraktionsmönster utfördes vid Cavendish Laboratory (Cambridge, Storbritannien). Unga forskare James Watson och Francis Crick som arbetade där hade inte egna experimentella uppgifter om DNA, så de använde röntgenbilder av kollegor från King's College Maurice Wilkins och Rosalind Franklin.
Watson och Crick föreslog en modell av DNA-strukturen som exakt matchar röntgendiffraktionsmönstret: två parallella strängar är vridna till en höger spiral. Varje kedja vikas av en godtycklig uppsättning kvävebaser, strängade på ryggraden i deras sockerarter och fosfater och hålls av vätebindningar sträckta mellan baserna. Dessutom kombineras adenin endast med tymin och guanin - med cytosin. Denna regel kallas principen om komplementaritet.
Watson och Crick-modellen förklarade DNA: s fyra huvudfunktioner: replikering av genetiskt material, dess specificitet, lagring av information i en molekyl och dess förmåga att mutera.
Forskarna publicerade sin upptäckt i tidskriften Nature den 25 april 1953. Tio år senare tilldelades han och Maurice Wilkins Nobelpriset i biologi (Rosalind Franklin dog 1958 av cancer vid 37 års ålder).
”Nu mer än ett halvt sekel senare kan vi konstatera att upptäckten av DNA-strukturen spelade samma roll i biologiens utveckling som upptäckten av atomkärnan i fysiken. Förklaringen av atomens struktur ledde till att en ny kvantfysik föddes, och upptäckten av DNA-strukturen ledde till en ny, molekylärbiologi,”skriver Maxim Frank-Kamenetsky, en enastående genetiker, DNA-forskare, författare till The Most viktiga molekyl.
Genetisk kod
Nu återstod det att ta reda på hur denna molekyl fungerar. Det var känt att DNA innehåller instruktioner för syntes av cellulära proteiner som gör allt arbete i cellen. Proteiner är polymerer som består av upprepade uppsättningar (sekvenser) av aminosyror. Dessutom finns det bara tjugo aminosyror. Djurarter skiljer sig från varandra i uppsättningen proteiner i celler, det vill säga i olika sekvenser av aminosyror. Genetik hävdade att dessa sekvenser ges av gener, som då tros vara de första byggstenarna i livet. Men vilka gener som var, ingen visste exakt.
Författaren till Big Bang-teorin, fysiker Georgy Gamov, anställd vid George Washington University (USA), gjorde det klart. Baserat på modellen för den dubbelsträngade DNA-spiralen av Watson och Crick föreslog han att en gen är en bit DNA, det vill säga en viss sekvens av länkar - nukleotider. Eftersom varje nukleotid är en av fyra kvävebaser, behöver du bara ta reda på hur de fyra elementen kodar tjugo. Det var idén bakom den genetiska koden.
I början av 1960-talet hade det konstaterats att proteiner syntetiseras från aminosyror i ribosomer, en slags "fabriker" inuti cellen. För att starta proteinsyntes, närmar sig ett enzym DNA, känner igen ett specifikt ställe i början av genen, syntetiserar en kopia av genen i form av ett litet RNA (det kallas en mall), sedan odlas ett protein från aminosyror i ribosomen.
De fick också reda på att den genetiska koden är tre bokstäver. Detta betyder att tre nukleotider motsvarar en aminosyra. Enhetens kod kallades ett kodon. I ribosomen läses information från mRNA kodon för kodon sekventiellt. Och var och en av dem motsvarar flera aminosyror. Hur ser chifferet ut?
Marshall Nirenberg och Heinrich Mattei från USA besvarade denna fråga. 1961 presenterade de sina resultat för första gången på en biokemisk kongress i Moskva. År 1967 hade den genetiska koden avkodats fullständigt. Det visade sig vara universellt för alla celler i alla organismer, vilket hade långtgående konsekvenser för vetenskapen.
Upptäckten av DNA-strukturen och den genetiska koden har helt omorienterat biologisk forskning. Det faktum att varje individ har en unik DNA-sekvens har i grunden förändrat rättsmedicinsk vetenskap. Att dechiffrera mänskligt genom har gett antropologer en helt ny metod för att studera utvecklingen av vår art. Den nyligen uppfunna DNA-redaktören CRISPR-Cas har gett genteknik mycket framåt. Uppenbarligen lagrar denna molekyl lösningen på mänsklighetens mest pressande problem: cancer, genetiska sjukdomar, åldrande.
Tatiana Pichugina