A DNS kettős spirál szerkezetének felfedezése (A molekuláris biológia születése)
2013.09.02 22:48
A DNS kettős spirál szerkezetének felfedezése (A molekuláris biológia születése)
A Nature folyóirat 1953. április 23-ai számában az élet megfejtése felé tett talán legnagyobb lépés megtételéről számolt be több kutató: az örökítőanyag szerkezetét írták le.
1953-ig sokminden kiderült már a génekről, de még nem töltötték meg élettel azokat. A gének az öröklődés oszthatatlan faktorai voltak, amelyekből kapunk egy- egy kópiát mind az édesanyánktól mind az édesapánktól. A gének változatai (alléljei) különböző mértékben járulnak hozzá a tulajdonságokhoz. A gének a kromoszómák szakaszai, amelyeknek anyaga döntően DNS (dezoxiribonukleinsav) és fehérje. A két alkotórész közül a DNS az örökítőanyag, azaz a DNS nem csupán szerkezeti anyag, hanem funkcionálisan aktív is. (De mivel a tudományos világot addig az a megállapítás uralta, hogy a DNS-ben az építőelemek egymást szabályosan váltva helyezkednek el, ez a felismerés sokáig visszhang nélkül maradt.) A DNS-t felépítő egységek a nukleotidok. A négy nukleotid aránya nem akármilyen: fajon belül állandó, de fajról-fajra más és más (lásd Chargaff megállapítását lentebb).
A DNS kettős spirál szerkezete leíróinak legfontosabb eszköze a modellépítés volt (pálcikákból, lapkákból). Eszmefuttatásaik színtere sok esetben nem munkahelyük volt, hanem az „Eagle”, azaz a „Sas” nevű cambridge-i kocsma. Maguk egyetlen kísérletet sem végeztek, azonban igénybe vették (több esetben etikailag vitatott módon) kollégáik – több esetben nem publikus – megállapításait.
Elméletük kialakításához többek között felhasználták Chargaff mérési eredményeit, amely szerint a különböző fajok DNS-ének nukleotid összetétele nem azonos, de mindegyik faj esetében igaz, hogy az adenin mennyisége megegyezik a timinével, valamint a citoziné a guaninéval (a későbbiek fényében érthető módon, hiszen ezek állnak egymással szemben a két láncban). Ez a megállapítás döntő volt a tekintetben, hogy a DNS nem egy és nem is három szálból épül fel, hanem kettőből.
Felhasználták továbbá londoni kollégáik (Wilkins, Franklin) röntgendiffrakciós képeit is. A röntgendiffrakció azon az elven alapul, hogy a kikristályosított anyagok atomjain a rábocsátott röntgensugár iránya megváltozik, elhajlik. Az elhajlásból vissza lehet következtetni az illető anyag szerkezetére, már ha sikerül az elhajlást valahogy regisztrálni. (A röntgensugár elhajlása pedig könnyen regisztrálható – alkalmas filmet az útjába helyezve – hasonlóan ahhoz, ahogyan a kórházban röntgenfelvételt készítenek egy eltört végtagról.) Watson és Crick nem sokat konyítottak a kémiához, így fordulhatott elő az, hogy egy vegyész kollégájuknak (Donohue) kellett a figyelmüket felhívni egy alapvető kémiai tényre. Arra, hogy a bázisok vizes közegben valószínűleg más szerkezetűek, mint azt ők a tankönyvi szerkezeti rajzok alapján addig gondolták.
Tehát Watson és Crick ezen adatok (Chargaff bázisarányai, röntgendiffrakciós képek, a bázisok vizes közegbeli szerkezete), valamint saját modellépítési eredményeik szintézisével jutottak el két év alatt a DNS kettős spirál szerkezetének leírásához. A versenyfutásban sikerült megelőzniük nagy vetélytársukat, az amerikai Linus Pauling-ot, akit a kor legnagyobb élő vegyészének tartottak. Ő a DNS-t hármas spirálként álmodta meg. Az eredményeket három rövid cikk formájában jelentették meg. A cikk szövegének legépelésére Watson nővérét kérték meg, mondván részt vehet az élet megfejtésére tett eddigi legnagyobb kísérlet eredményeinek lejegyzésében. A perdöntő cikk („Molecular structure of nucleic acids”) a tudomány történetében azóta is példátlanul rövidnek számít: 900 szavas. Felfedezésükért Watson és Crick, valamint a röntgendiffrakciós képek egy részét szolgáltató Wilkins 1962-ben Nobel díjban részesültek. A tudományos közvéleménynek nagy fejtörést okoz azóta is, hogy Wilkins helyett Franklin (a Wilkinsnél is jobb röntgendiffrakciós képeket készítő munkatárs) kapta volna-e a díjat, ha nem hal meg annak odaítélése előtt.
A DNS kettős spirál szerkezetének leírása tekintendő – képletesen szólva – a molekuláris biológia születésnapjának.
A molekuláris biológia egy szemléletmód, amely a biológiai jelenségek magyarázatát az élőt alkotó makromolekulák kémiai-fizikai sajátosságaival magyarázza. A molekuláris biológia születésnapjának tehát - képletesen szólva – a DNS kettős spirál szerkezetének a leírása tekintendő. A felfedezés a DNS elvont, absztrakt fogalmát megszemélyesítette: leírta szerkezetét. A szerkezet pedig belépőt jelentett a nukleotidok sorrendjét értelmező sejtbeli apparátus megértéséhez, azaz az élet rejtjelező kódjának megfejtéséhez (Crick ezen probléma megoldásának szentelte további életének tekintélyes részét). A kettős spirál szerkezet a DNS egy kézenfekvő másolási mechanizmusának megoldását is magában hordozta. Erre a cikk szerzői is felfigyeltek, és cikkük végében megjegyezték: „It has not escapes our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.” („Nem kerülte el figyelmünket, hogy a genetikai anyag specifikus bázispárosodása (C-G, A-T) egy kézenfekvő másolási mechanizmust valószínűsít.”)
Egy hónappal később szintén a Nature-ben jelent meg a DNS szerkezet biológiai következményeit tárgyaló cikkük. Bár a kettős spirál szerkezetet szinte azonnal elfogadta a tudományos közösség, mivel azt kémiai – fizikai szempontból nem lehetett bizonyítottnak tekinteni – még évekig jelentek meg újabb és újabb leírások a szerkezetre vonatkozólag, amelyek azonban az eredetit a mai napig nem billentették ki megérdemelt pozíciójából.
A DNS kettős spirál szerkezetének felfedezése (A molekuláris biológia születése)
A Nature folyóirat 1953. április 23-ai számában az élet megfejtése felé tett talán legnagyobb lépés megtételéről számolt be több kutató: az örökítőanyag szerkezetét írták le.
1953-ig sokminden kiderült már a génekről, de még nem töltötték meg élettel azokat. A gének az öröklődés oszthatatlan faktorai voltak, amelyekből kapunk egy- egy kópiát mind az édesanyánktól mind az édesapánktól. A gének változatai (alléljei) különböző mértékben járulnak hozzá a tulajdonságokhoz. A gének a kromoszómák szakaszai, amelyeknek anyaga döntően DNS (dezoxiribonukleinsav) és fehérje. A két alkotórész közül a DNS az örökítőanyag, azaz a DNS nem csupán szerkezeti anyag, hanem funkcionálisan aktív is. (De mivel a tudományos világot addig az a megállapítás uralta, hogy a DNS-ben az építőelemek egymást szabályosan váltva helyezkednek el, ez a felismerés sokáig visszhang nélkül maradt.) A DNS-t felépítő egységek a nukleotidok. A négy nukleotid aránya nem akármilyen: fajon belül állandó, de fajról-fajra más és más (lásd Chargaff megállapítását lentebb).
A DNS kettős spirál szerkezete leíróinak legfontosabb eszköze a modellépítés volt (pálcikákból, lapkákból). Eszmefuttatásaik színtere sok esetben nem munkahelyük volt, hanem az „Eagle”, azaz a „Sas” nevű cambridge-i kocsma. Maguk egyetlen kísérletet sem végeztek, azonban igénybe vették (több esetben etikailag vitatott módon) kollégáik – több esetben nem publikus – megállapításait.
Elméletük kialakításához többek között felhasználták Chargaff mérési eredményeit, amely szerint a különböző fajok DNS-ének nukleotid összetétele nem azonos, de mindegyik faj esetében igaz, hogy az adenin mennyisége megegyezik a timinével, valamint a citoziné a guaninéval (a későbbiek fényében érthető módon, hiszen ezek állnak egymással szemben a két láncban). Ez a megállapítás döntő volt a tekintetben, hogy a DNS nem egy és nem is három szálból épül fel, hanem kettőből.
Felhasználták továbbá londoni kollégáik (Wilkins, Franklin) röntgendiffrakciós képeit is. A röntgendiffrakció azon az elven alapul, hogy a kikristályosított anyagok atomjain a rábocsátott röntgensugár iránya megváltozik, elhajlik. Az elhajlásból vissza lehet következtetni az illető anyag szerkezetére, már ha sikerül az elhajlást valahogy regisztrálni. (A röntgensugár elhajlása pedig könnyen regisztrálható – alkalmas filmet az útjába helyezve – hasonlóan ahhoz, ahogyan a kórházban röntgenfelvételt készítenek egy eltört végtagról.) Watson és Crick nem sokat konyítottak a kémiához, így fordulhatott elő az, hogy egy vegyész kollégájuknak (Donohue) kellett a figyelmüket felhívni egy alapvető kémiai tényre. Arra, hogy a bázisok vizes közegben valószínűleg más szerkezetűek, mint azt ők a tankönyvi szerkezeti rajzok alapján addig gondolták.
Tehát Watson és Crick ezen adatok (Chargaff bázisarányai, röntgendiffrakciós képek, a bázisok vizes közegbeli szerkezete), valamint saját modellépítési eredményeik szintézisével jutottak el két év alatt a DNS kettős spirál szerkezetének leírásához. A versenyfutásban sikerült megelőzniük nagy vetélytársukat, az amerikai Linus Pauling-ot, akit a kor legnagyobb élő vegyészének tartottak. Ő a DNS-t hármas spirálként álmodta meg. Az eredményeket három rövid cikk formájában jelentették meg. A cikk szövegének legépelésére Watson nővérét kérték meg, mondván részt vehet az élet megfejtésére tett eddigi legnagyobb kísérlet eredményeinek lejegyzésében. A perdöntő cikk („Molecular structure of nucleic acids”) a tudomány történetében azóta is példátlanul rövidnek számít: 900 szavas. Felfedezésükért Watson és Crick, valamint a röntgendiffrakciós képek egy részét szolgáltató Wilkins 1962-ben Nobel díjban részesültek. A tudományos közvéleménynek nagy fejtörést okoz azóta is, hogy Wilkins helyett Franklin (a Wilkinsnél is jobb röntgendiffrakciós képeket készítő munkatárs) kapta volna-e a díjat, ha nem hal meg annak odaítélése előtt.
A DNS kettős spirál szerkezetének leírása tekintendő – képletesen szólva – a molekuláris biológia születésnapjának.
Egy hónappal később szintén a Nature-ben jelent meg a DNS szerkezet biológiai következményeit tárgyaló cikkük. Bár a kettős spirál szerkezetet szinte azonnal elfogadta a tudományos közösség, mivel azt kémiai – fizikai szempontból nem lehetett bizonyítottnak tekinteni – még évekig jelentek meg újabb és újabb leírások a szerkezetre vonatkozólag, amelyek azonban az eredetit a mai napig nem billentették ki megérdemelt pozíciójából.