Prehistoria odkrycia struktury DNACzas czytania: 5 min

Model struktury DNA w postaci podwójnej helisy, zaproponowany w 1953 przez Jamesa Watsona i Francisa Cricka (1916-2004), stanowi ikonę współczesności. Helix Bridge – kładka dla pieszych w Singapurze nad zatoką Marina Bay uznana została w 2010 roku w ramach World Architecture Festival za najlepszą konstrukcję dla transportu. Nawet okna dachowe i schody wykorzystują ten kształt. Jednakże kwas deoksyrybonukleinowy nie doczekał się zainteresowania, nawet ze strony genetyków, aż do 1943 roku, kiedy to zespołowi badaczy pod kierunkiem Oswalda Avery’ego (1877-1955) udało się udowodnić, że to właśnie kwas deoksyrybonukleinowy jest odpowiedzialny za zmianę (transformację) jednego szczepu bakterii w inny. Historia DNA sięga jednak znacznie głębiej, do 1889 roku, kiedy niemiecki patolog i histolog Richard Altmann (1852-1900) wyizolował nieznany wcześniej związek chemiczny z substancji zwanej nukleiną i nazwał go kwasem nukleinowym. Substancja, nad którą pracował Altmann, była już jednak znana od kilku dziesięcioleci, a nawet jej odkrywca – szwajcarski biochemik Friedrich Miescher (1844-1895) – domyślał się, jaką może mieć funkcję. W 1893 roku napisał: „dziedziczenie zapewnia ciągłość formy z pokolenia na pokolenie; podstawy tej ciągłości tkwią nawet głębiej niż w cząsteczce chemicznej. Tkwią w budowie grup atomów. W tym sensie jestem zwolennikiem teorii dziedziczenia chemicznego”¹.

Badania Mieschera polegały na określeniu składu chemicznego limfocytów (pozyskiwał je z ropy świeżych opatrunków chirurgicznych dostarczanych mu ze szpitala). Miescher zauważył nową substancję bogatą w fosfor, która wytrącała się po dodaniu kwasu i rozpuszczała w alkaliach. Artykuł Mieschera (Über die chemische Zusammensetzung der Eiterzellen /O chemicznym składzie komórek ropy/) ukazał się w niemieckim czasopiśmie „Medicinische-chemische Untersuchungen”, wydawanym przez niemieckiego fizjologa Felixa Hoppe-Seylera (1825-1895).

Artykuł ten, informujący o odkryciu nowej substancji nazwanej przez niego nukleiną (ponieważ związek ten występował w jądrach komórkowych), ukazał się (1871) kilka lat po przeprowadzonych eksperymentach (1868-69). W późniejszym czasie Miescher wykazał jeszcze, że nukleiny nie zawierają siarki, a fosforan stanowi 22,5% całkowitej ich masy. Najważniejsze było to, że zaobserwował nową substancję chemiczną w jądrach komórek organizmów bardzo różniących się od człowieka m.in. u żab i ryb (karpie). Wyciągając wnioski z braku dyfuzji tych związków przez papier uznał, że cząsteczki nieznanej substancji muszą być bardzo duże. Problem kształtu cząsteczek nukleidów leżał poza możliwościami poznawczymi ówczesnej nauki, ale wkrótce ta sytuacja się zmieniła. Odkryciem, które pozwoliło na rozszyfrowanie struktury DNA było nowe promieniowanie zwane promieniowaniem rentgenowskim. Odkrycie to przyszło w roku śmierci Mieschera, ale trzeba było jeszcze kilkunastu lat na zrozumienie natury tego promieniowania i wykorzystania go do analizy krystalicznej struktury różnych substancji.

Tą nową metodą badawczą była rentgenografia strukturalna. Pierwszą strukturą krystaliczną rozszyfrowaną przy pomocy tej metody (1914) była sól kuchenna. W tym samym roku została rozpoznana także struktura diamentu, a dwa lata później struktura grafitu. Były to jednak proste związki. Amerykański fizyk Albert Hull (1880-1966) użył tej metody do określenia struktury krystalicznej takich metali jak żelazo i magnez. Na początku lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku przy pomocy tej metody udało się ustalić strukturę takich substancji organicznych jak insulina i hemoglobina. Przyszła zatem kolej na tak dużą i złożoną cząsteczkę jaką jest DNA. James Watson – współodkrywca tej struktury – po latach tak wspomina ten czas: Wiosną 1951 roku

[…] wziąłem udział w niewielkiej konferencji na temat wykorzystania dyfrakcji promieni rentgenowskich do określenia trójwymiarowej struktury cząsteczek. Dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego można wykorzystać do  badania struktury atomowej dowolnej krystalizującej cząsteczki. Sama metoda polega na tym, że struktury krystaliczne bombarduje się promieniami rentgenowskimi, które, odbijane od poszczególnych atomów, ulegają rozproszeniu. Wzór rozproszenia daje pewne pojęcie o strukturze cząsteczki, ale sam w sobie nie wystarcza, by dokładnie ją określić. Potrzeba dodatkowej informacji: „częstości fazowej”, związanej z falowymi właściwościami cząsteczki. Rozwiązanie tego problemu nie było łatwe i w tym czasie podejmowali się tego zadania tylko najbardziej śmiali naukowcy. Większość zakończonych sukcesami eksperymentów wykonanych przy użyciu dyfrakcji została zresztą przeprowadzona na stosunkowo prostych cząsteczkach. Nie miałem wygórowanych oczekiwań co do konferencji. Byłem zdania, że na zrozumienie trójwymiarowej struktury białek (oraz samego DNA) będziemy musieli jeszcze długo czekać. Wcześniejsze, rozczarowujące zdjęcia rentgenowskie zdawały się sugerować, że DNA wyjątkowo opornie wyjawia tajemnice swojej budowy. Rezultaty te nie dziwiły, zwłaszcza jeśli weźmie się pod uwagę, że sekwencje DNA poszczególnych cząsteczek miały się różnić. Wynikająca z tego nieregularność struktur powierzchniowych ze zrozumiałych względów sprawiała, że długie, cienkie łańcuchy DNA nie mogły sobie grzecznie spoczywać, tworząc regularne, powtarzające się wzory, konieczne do przeprowadzenia udanej analizy rentgenowskiej².

Do odkrycia była jeszcze daleka droga. Wystarczy wspomnieć, że decydujące znaczenie miały prace krystalograficzne Rosalindy Franklin (1920-1958). Najważniejszym elementem układanki okazał się krystalogram rentgenowski formy B cząsteczki DNA wykonany właśnie przez Franklin:

[…] 28 lutego [1953 r.], kluczowe fragmenty modelu DNA zaczęły do siebie pasować. […] To była wielka chwila! Czuliśmy pewność, że to właśnie to! Coś tak prostego, tak eleganckiego, musiało być prawdziwe³.

Zasada simplex signum veri dała subiektywną pewność, która przeszła w pewność obiektywną, kiedy zaproponowany model poddano dalszym testom. Takie testy przeprowadzili m.in. Meselson i Sthal latem 1954 roku. Późniejszy rozwój inżynierii genetycznej przekonał już pewnie wszystkich, że nauka odkrywa rzeczywiste struktury świata, które nie są tylko ,,społecznymi konstruktami” socjologów wiedzy.

Zenon Roskal

Przedruk z: „Filozofia Przyrody. Cosmotheoros – Blog Zenona Roskala” 18 marca 2018 [dostęp 16 VI 2020].

Źródło zdjęcia: kjpargeter / Freepik

Ostatnia aktualizacja strony: 16.06.2020

Literatura: