Nagroda Nobla Logo Nagrody Nobla

17 lutego 2021
Category: Które Mają

Przełom naukowy

Zdanie „Ta struktura ma nowe cechy, które mają duże znaczenie biologiczne może być jednym z najbardziej znanych niedomówień naukowych. Pojawiła się w kwietniu 1953 roku w artykule naukowym, w którym James Watson i Francis Crick przedstawili strukturę helisy DNA, cząsteczki przenoszącej informację genetyczną z pokolenia na pokolenie.

Dziewięć lat później, w 1962 roku, wspólnie z Maurice Wilkinsem otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za rozwiązanie jednej z najważniejszych zagadek biologicznych. Pół wieku później wciąż wychodzą na jaw ważne nowe implikacje tego wkładu w naukę.

Co to jest DNA?Praca wielu naukowców utorowała drogę do eksploracji DNA. Już w 1868 roku, prawie sto lat przed przyznaniem Nagrody Nobla Watsonowi, Crickowi i Wilkinsowi, młody szwajcarski lekarz o nazwisku Friedrich Miescher, wyizolował z jąder komórkowych coś, czego nikt wcześniej nie widział. Nazwał ten związek „nukleiną. Nazywa się to dzisiaj kwasem nukleinowym, „NA w DNA (kwas deoksyrybo-nukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy).

Maurice Wilkins.
Francis Crick i James Watson, 1953.

Zdjęcie: Cold Spring Harbor Laboratory Archives
Dwa lata wcześniej czeski mnich Gregor Mendel zakończył serię eksperymentów z groszkiem. Jego obserwacje okazały się ściśle związane z odkryciem nukleiny. Mendel był w stanie wykazać, że pewne cechy grochu, takie jak kształt czy kolor, były dziedziczone w różnych opakowaniach. Te pakiety nazywamy teraz genami.

Przez długi czas nie był znany związek między kwasem nukleinowym a genami. Ale w 1944 roku amerykański naukowiec Oswald Avery zdołał przenieść zdolność wywoływania choroby z jednego szczepu bakterii na inny. Ale nie tylko to: niegroźne bakterie mogą również przekazać tę cechę następnemu pokoleniu. To, co przeniosła Avery, to kwas nukleinowy. To udowodniło, że geny składają się z kwasu nukleinowego.

Rozwiązanie zagadkiPod koniec lat czterdziestych członkowie społeczności naukowej byli świadomi, że DNA jest najprawdopodobniej cząsteczką życia, chociaż wielu było sceptycznych, ponieważ było to tak „proste. Wiedzieli również, że DNA zawiera różne ilości czterech zasad, adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny (zwykle w skrócie A, T, G i C), ale nikt nie miał najmniejszego pojęcia, jak ta cząsteczka może wyglądać.

Aby rozwiązać nieuchwytną strukturę DNA, trzeba było zebrać razem kilka różnych informacji. Po pierwsze, szkielet fosforanowy znajdował się na zewnątrz, a podstawy wewnątrz; inny, że cząsteczka była podwójną helisą. Ważne było również, aby dowiedzieć się, że dwie nici biegną w przeciwnych kierunkach i że cząsteczka ma określoną parę zasad.

Podobnie jak przy rozwiązywaniu innych złożonych problemów, aby uzyskać pełny obraz, potrzebna była praca wielu osób.

Oryginalny model DNA firmy Watson and Crick.

Zdjęcie: Cold Spring Harbor Laboratory Archives
Używanie promieni rentgenowskich do przeglądania DNAWatson i Crick wykorzystali modele typu stick-and-ball, aby przetestować swoje pomysły na temat możliwej struktury DNA. Inni naukowcy zamiast tego stosowali metody eksperymentalne. Wśród nich byli Rosalind Franklin i Maurice Wilkins, którzy korzystali z dyfrakcji rentgenowskiej, aby zrozumieć fizyczną strukturę cząsteczki DNA.

Kiedy oświetla się jakikolwiek kryształ dowolnym rodzajem kryształu – a niektóre cząsteczki biologiczne, takie jak DNA, mogą tworzyć kryształy, jeśli są traktowane w określony sposób – niewidzialne promienie odbijają się od próbki. Następnie promienie tworzą złożone wzory na kliszy fotograficznej. Patrząc na wzory, można znaleźć ważne wskazówki dotyczące struktur tworzących kryształ.

„Zdjęcie 51. Zdjęcie dyfrakcji rentgenowskiej cząsteczki DNA, struktura B.

Zdjęcie: Cold Spring Harbor Laboratory Archives
Struktura trójhelikalna?Naukowiec Linus Pauling bardzo chciał rozwiązać zagadkę kształtu DNA. W 1954 r. Został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie chemii za przełomowe prace nad wiązaniami chemicznymi oraz strukturą cząsteczek i kryształów. Na początku 1953 roku opublikował artykuł, w którym zaproponował strukturę potrójnej helisy DNA. Watson i Crick również wcześniej opracowali model trzech helis, w 1951 roku. Ale ich teoria była błędna.

Ich błąd był częściowo oparty na tym, że Watson źle zapamiętał rozmowę Rosalind Franklin, w której poinformowała, że ​​ustaliła zawartość wody w DNA za pomocą krystalograficznych metod rentgenowskich. Ale Watson nie robił notatek i niepoprawnie zapamiętał liczby.

Zamiast tego to słynna „fotografia 51 Franklina w końcu ujawniła helikalną strukturę DNA Watsonowi i Crickowi w 1953 r. To zdjęcie DNA, które zostało skrystalizowane w wilgotnych warunkach, przedstawia rozmyty znak X w środku cząsteczki, wzór wskazujący na spiralna struktura.

Model alfa helisy, 1951. Zdjęcie: Zbiory specjalne Oregon State University
Specyficzne parowanie zasadTajemnica par zasad została częściowo rozwiązana przez biochemika Erwina Chargoffa kilka lat wcześniej. W 1949 roku wykazał, że chociaż różne organizmy mają różne ilości DNA, ilość adeniny zawsze jest równa ilości tyminy. To samo dotyczy pary guaniny i cytozyny. Na przykład ludzkie DNA zawiera około 30 procent adeniny i tyminy oraz 20 procent guaniny i cytozyny.

Mając te informacje pod ręką, Watson był w stanie ustalić zasady parowania. 21 lutego 1953 roku miał kluczowy wgląd, kiedy zobaczył, że wiązanie adenina-tymina jest dokładnie tak długie, jak wiązanie cytozyna-guanina. Gdyby podstawy zostały sparowane w ten sposób, każdy szczebel skręconej drabiny w helisie miałby taką samą długość, a szkielet cukrowo-fosforanowy byłby gładki.

Struktura pokazuje działanie„Nie uszło naszej uwadze, że określone parowanie, które postulowaliśmy, natychmiast sugeruje możliwy mechanizm kopiowania materiału genetycznego – napisali Watson i Crick w artykule naukowym opublikowanym w Nature, 25 kwietnia 1953 r.

Był to rzeczywiście przełom w badaniach nad przekazywaniem materiału genetycznego z pokolenia na pokolenie. Gdy model został ustanowiony, jego sama struktura wskazywała, że ​​DNA rzeczywiście było nośnikiem kodu genetycznego, a tym samym kluczową cząsteczką dziedziczności, biologii rozwoju i ewolucji.

Specyficzne parowanie zasad leży u podstaw doskonałego kopiowania cząsteczki, co jest niezbędne dla dziedziczności. Podczas podziału komórki cząsteczka DNA jest w stanie „rozpiąć na dwie części. Z każdej pół-drabinki powstaje jedna nowa cząsteczka, która dzięki specyficznemu parowaniu daje dwie identyczne kopie potomne z każdej cząsteczki rodzicielskiej.

Wszyscy mamy te same elementy konstrukcyjneDNA to zwycięska formuła pakowania materiału genetycznego. Dlatego prawie wszystkie organizmy – bakterie, rośliny, drożdże i zwierzęta – niosą informację genetyczną zamkniętą w postaci DNA. Jedynym wyjątkiem są niektóre wirusy, które zamiast tego używają RNA.

Różne gatunki potrzebują różnych ilości DNA. Dlatego kopiowanie DNA, które poprzedza podział komórki, różni się między organizmami. Na przykład DNA bakterii E. coli składa się z 4 milionów par zasad, a zatem cały genom ma długość jednego milimetra. Bakteria jednokomórkowa może kopiować swój genom i co 20 minut dzielić się na dwie komórki.

Z drugiej strony ludzkie DNA składa się z około 3 miliardów par zasad, co w sumie składa się z prawie metrowego odcinka DNA w każdej komórce naszego ciała.

Aby się dopasować, DNA musi być zapakowane w bardzo zwartej formie. U E. coli pojedyncza kolista cząsteczka DNA jest zwinięta w sposób skondensowany, podczas gdy ludzkie DNA jest upakowane w 23 różnych parach chromosomów. Tutaj materiał genetyczny jest ciasno zwinięty w struktury zwane histonami.

Nowa era biologicznaTa wiedza na temat sposobu przechowywania i kopiowania materiału genetycznego dała początek nowemu sposobowi patrzenia na procesy biologiczne i manipulowania nimi, zwanym biologią molekularną. Za pomocą tak zwanych enzymów restrykcyjnych, cząsteczek, które przecinają DNA w określonych odcinkach, fragmenty DNA można wycinać lub wstawiać w różnych miejscach.

W naukach podstawowych, w których chcesz zrozumieć rolę różnych genów u ludzi i zwierząt, opracowano nowe techniki. Po pierwsze, obecnie można tworzyć myszy zmodyfikowane genetycznie i pozbawione określonych genów. Badając te zwierzęta, naukowcy próbują dowiedzieć się, do czego ten gen może być używany u normalnych myszy. Nazywa się to techniką knockout, ponieważ odcinki DNA zostały usunięte lub znokautowane.

Naukowcom udało się również wstawić nowe fragmenty DNA do komórek pozbawionych określonych fragmentów genów lub całych genów. Dzięki temu nowemu DNA komórka staje się zdolna do wytwarzania produktów genowych, których wcześniej nie mogła wytwarzać. Jest nadzieja, że ​​w przyszłości choroby, które powstają z powodu braku określonego białka, będą mogły być leczone za pomocą tego rodzaju terapii genowej.

Czy nominowano Rosalind Franklin? Rosalind Franklin.

Zdjęcie: Cold Spring Harbor Laboratory Archives Wiele głosów twierdziło, że Nagrodę Nobla należało również przyznać Rosalind Franklin, ponieważ jej dane eksperymentalne dostarczyły bardzo ważnego dowodu prowadzącego do rozwiązania struktury DNA. W niedawnym wywiadzie dla magazynu Scientific American, sam Watson zasugerował, że dobrym pomysłem byłoby przyznanie Wilkinsowi i Franklinowi Nagrody Nobla w dziedzinie chemii, a jemu i Crickowi Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny – w ten sposób wszyscy czterej mogliby zostały uhonorowane.

Rosalind Franklin zmarła w 1958 r. Z reguły do ​​Nagrody Nobla mogą być nominowane tylko żyjące osoby, więc o Nagrodzie Nobla z 1962 r. Nie było mowy. Archiwa Nobla w instytucjach laureatów Nagrody Nobla, które zawierają m.in. nominacje związane z nagrodami, są zamknięte. Ale 50 lat po przyznaniu szczególnej nagrody, archiwa nominowanych zostały udostępnione. Dlatego w 2008 roku można było zobaczyć, czy Rosalind Franklin była kiedykolwiek nominowana do Nagrody Nobla za helisę DNA. Odpowiedź brzmi, że nikt jej nigdy nie nominował – ani do Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii czy medycyny, ani chemii.

Helisa DNA Szkielet cukrowo-fosforanowy znajduje się na zewnątrz, a cztery różne zasady znajdują się wewnątrz cząsteczki DNA. Dwie nici podwójnej helisy są przeciwrównoległe, co oznacza, że ​​biegną w przeciwnych kierunkach.

Szkielet cukrowo-fosforanowy znajduje się na zewnątrz helisy, a podstawy wewnątrz. Kręgosłup można traktować jako boki drabiny, podczas gdy podstawy pośrodku tworzą szczeble drabiny.

Każdy szczebel składa się z dwóch par zasad. Albo para adenina-tymina, która tworzy ze sobą wiązanie dwu-wodorowe, albo para cytozyna-guanina, która tworzy wiązanie trój-wodorowe. W ten sposób parowanie zasad jest ograniczone.

To ograniczenie jest niezbędne podczas kopiowania DNA: helisa DNA jest najpierw „rozpinana w dwóch długich odcinkach szkieletu cukrowo-fosforanowego z wystającą z niej linią wolnych zasad, jak zęby grzebienia. Każda połowa będzie wówczas szablonem dla nowego, uzupełniającego się wątku. Biologiczne maszyny wewnątrz komórki umieszczają odpowiednie wolne zasady na rozszczepionej cząsteczce, a także „sprawdzają wyniki, aby znaleźć i poprawić wszelkie błędy. Po podwojeniu daje to dwie dokładne kopie oryginalnej cząsteczki DNA.

Regiony kodujące w nici DNA, geny, stanowią tylko ułamek całkowitej ilości DNA. Odcinki otaczające regiony kodujące nazywane są intronami i składają się z niekodującego DNA. Na początku introny były postrzegane jako śmieci. Dzisiaj biolodzy i genetycy uważają, że ten niekodujący DNA może być niezbędny do odsłonięcia regionów kodujących i regulacji ekspresji genów.

We use cookies to provide you with the best possible experience. By continuing, we will assume that you agree to our cookie policy