Η Ιστορία της ανακάλυψης της δομής του DNA

Στις 25του περασμένου Απριλίου συμπληρώθηκαν 60 χρόνια από τη δημοσιοποίηση της σημαντικότερης επιστημονικής ανακάλυψης του 20ού αιώνα: σε τρία διαδοχικά άρθρα στο εβδομαδιαίο διεθνούς κύρους επιστημονικό περιοδικό Nature δημοσιεύθηκε η δομή του DNA, το πρώτο από τους James Watson και Francis Crick, το δεύτερο από τον Maurice Wilkins με δύο άλλους συνεργάτες του κρυσταλλογράφους και το τρίτο από την εξαίρετη κρυσταλλογράφο Rosalind Franklin με έναν συνεργάτη της.

Ο Crick, λίγες μέρες πριν από τις δημοσιεύσεις γράφοντας στον γιο του, αναφέρει ότι «κάναμε [μαζί με τον Watson] μια πολύ σημαντική ανακάλυψη» και του την περιγράφει. Όντως θα μπορούσε κανείς να ισχυρισθεί ότι με την αποκάλυψη της δομής του DNA λυνόταν ο δυσκολότερος γρίφος της βιολογίας που συνίσταται στο πώς επιτυγχάνεται η εξαιρετική ακρίβεια με την οποίαν αντιγράφεται και πολλαπλασιάζεται το κληρονομικό υλικό, τα γονίδια, τα στοιχεία που αποτελούν τον κεντρικό πυρήνα του ζώντος όντος.

Από την «έκφανση πλατωνικών ιδεών» στην υλική υπόσταση

Η προϊστορία της ανακάλυψης αρχίζει από τα τέλη του 19ου αιώνα όταν ο Γρηγόριος Μέντελ με διασταυρώσεις απέδειξε ότι η κληρονομικότητα από γενιά σε γενιά μεταβιβάζεται διά μέσου γονιδίων, στοιχείων φύσεως μοναδιαίας, που δεν συμπεριφέρονται ως υγρά, δηλαδή δεν αναμειγνύονται αλλά μεταβιβάζονται με τη μορφή διακριτών μονάδων.

Από την πρώτη δεκαετία του 20ού αιώνα μέχρι περίπου και την τρίτη, στις ΗΠΑ η σχολή του Μόργκαν (Τ. Η. Μοrgan, 1866-1945) κατάφερε να πείσει όλους ότι τα γονίδια δεν αποτελούν την έκφανση πλατωνικών ιδεών [όπως ισχυριζόταν ο Άγγλος γενετιστής W. Bateson] αλλά έχουν υλική υπόσταση, εδράζεται καθένα τους σε ορισμένη θέση σε χρωμόσωμα του πυρήνα του κυττάρου. Με τους μαθητές του κατάφερε να συντάξει «χάρτες» χρωμοσωμάτων με τις θέσεις των διαφόρων γονιδίων, χρησιμοποιώντας μόνο τα αριθμητικά αποτελέσματα από διασταυρώσεις.

Αυτοί οι χάρτες των χρωμοσωμάτων επαληθεύθηκαν με άλλους παρόμοιους χάρτες, καμωμένους όμως με διαφορετικό τρόπο, δηλαδή από ανωμαλίες των χρωμοσωμάτων λόγω θραύσεών τους και επανασυγκολλήσεων. Μέχρι τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο κάθε γονίδιο έμοιαζε να κατέχει συγκεκριμένη θέση σε ένα χρωμόσωμα και να επηρεάζει την μορφή και λειτουργία του οργανισμού.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1930 μια επί πλέον ανακάλυψη αποκατέστησε την υλικότητα του γονιδίου: ο Ρώσος γενετιστής Ν.Τimoféeff-Ressovsky (1899-1981) στο Βερολίνο, υπολόγισε το μέγεθος του γονιδίου [με τη χρήση μεταλλαγών, δηλαδή απότομων αλλαγών που υφίσταται το γονίδιο από τις ακτίνες Χ]: ήταν περίπου ίσο με το μέγεθος ενός βιολογικού μεγαλομορίου. Τέτοια μόρια στον οργανισμό είναι οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα. Εκείνη την εποχή, το 1941 στα χρόνια του Δεύτερου Παγκοσμίου Πολέμου, δύο Αμερικανοί, οι G. Beadle και Ε. L.Tatum, απέδειξαν ότι τα γονίδια επιδρούν στη μορφή και στη λειτουργία του οργανισμού καθένα τους με την παραγωγή εξειδικευμένου ενζύμου.

Δύο ιδιότητες

Το γονίδιο λοιπόν είχε δύο ιδιότητες, τη μία να πολλαπλασιάζεται αντιγραφόμενο πιστά και τη δεύτερη να κατασκευάζει πρωτεΐνη. Από ποια όμως χημική ένωση συνίστατο; Η πρώτη και κυρίαρχη άποψη ήθελε τα γονίδια να είναι πρωτεΐνες, αφού αυτές παρήγαν τα γονίδια (τα ένζυμα αποτελούνται από πρωτεΐνη ή έχουν σημαντικό πρωτεϊνικό τμήμα), οι πρωτεΐνες έχουν την αναγκαία πολυπλοκότητα (είναι αλυσίδες αμινοξέων, είκοσι περίπου διαφορετικών ειδών). Όμως αργά αλλά σταθερά συσσωρεύονταν οι ενδείξεις ότι τα γονίδια αποτελούντο από DNA (δεοξυριβοζονουκλεϊκό οξύ).

Οι ενδείξεις αυτές προέρχονταν από τις ομάδες που μελετούσαν τη γενετική των βακτηρίων και των ιών. Η πιο σημαντική ένδειξη προερχόταν από το φαινόμενο της μεταμόρφωσης: ένα μη μολυσματικό βακτήριο μπορούσε να μετατραπεί σε μολυσματικό αν προσθέταμε εκχύλισμα σκοτωμένου με θέρμανση μολυσματικού βακτηρίου. Ενδελεχείς βιοχημικές αναλύσεις απέδειξαν ότι ο ενεργός παράγων υπεύθυνος για τη μεταμόρφωση ήταν το DNA!

Τότε αποφάσισε ο Salvador Luria (Ιταλός μετανάστης στις ΗΠΑ και γενετιστής των ιών, που είχε διαφύγει από το μουσολινικό καθεστώς) να στείλει τον αγαπημένο του μαθητή, νέο διδάκτορα, τον James Watson με υποτροφία στην Ευρώπη για να ενημερωθεί στη βιοχημεία ώστε να ερευνήσει τη χημική σύσταση του γονιδίου που πίστευε ότι ήταν από DNA.

Τιμήθηκαν με βραβείο Νομπέλ για την περίφημη διπλή έλικα

Έπειτα από άγονη παραμονή του στη Δανία ο Watson επέλεξε να μεταβεί στο Κέμπριτζ της Αγγλίας όπου συναντήθηκε με τον Francis Crick με τον οποίον δημιούργησε στενό φιλικό δεσμό. Ο Watson ενημέρωσε τον φίλο του για τις γενετικές όψεις του προβλήματος, ενώ ο Crick, που είχε σπουδάσει φυσική, τον μύησε στα μυστικά της μελέτης της δομής των κρυστάλλων από τις εικόνες περίθλασής τους όταν ακτινοβοληθούν με ακτίνες Χ. Ήταν μια ατελής μεν, η μόνη όμως δυνατότητα να γνωσθούν με βεβαιότητα ορισμένες πληροφορίες για τη δομή του μορίου. Όταν οι ακτίνες Χ πέσουν στο μόριο σκεδάζονται.

Στην περίπτωση κρυστάλλων, που όλα τα μόρια έχουν τον ίδιο προσανατολισμό στον χώρο, οι σκεδασμοί ενισχύουν ο ένας τον άλλο και δημιουργούνται εστίες που αποτυπώνονται σε φωτογραφικό χαρτί. Από αυτές τις εστίες-κηλίδες, τη θέση τους, μπορεί ο κρυσταλλογράφος να συλλέξει μερικές ενδείξεις για τις θέσεις και τη δομή ορισμένων τμημάτων του μελετώμενου μορίου. Έτσι μπορεί να βοηθηθεί στην κατασκευή υποθετικών μοντέλων του μορίου αυτού.

Κατασκευή μοντέλων

Οι δύο φίλοι άρχισαν να συλλέγουν κρυσταλλογραφικές πληροφορίες από κρυσταλλογράφους που δούλευαν στη δομή του DNA κοντά τους στο ίδιο συγκρότημα εργαστηρίων, από τον Maurice Wilkins (ο οποίος πρόθυμα συνεργάσθηκε) και από τη Rosalind Franklin, η οποία προτιμούσε τη μοναξιά της, είχε εξαιρετική τεχνική αλλά δεν κατανοούσε τη σημασία του προβλήματος. Η συνεχής κατασκευή μοντέλων, απόρριψη εκείνων που δεν πληρούσαν τις κρυσταλλογραφικές προϋποθέσεις, κατέληξε στην υιοθέτηση μιας δομής δύο μακρών ελίκων που αντικριστά ενώνονταν μεταξύ τους.

Το DNA αποτελείται από σειρά ενωμένων απλούστερων τμημάτων, των νουκλεοτιδίων, που αποτελούνται από ένα υδατάνθρακα (δεοξυριβόζη) ένα φωσφορικό οξύ και μια από τέσσερις δυνατές οργανικές βάσεις: την αδενίνη (Α), τη θυμίνη (Τ), τη γουανίνη (G) και την κυτοσίνη (C). Ο Watson θέλησε να αποτυπώσει την πιστότητα αντιγραφής ενώνοντας εσωτερικά τις δύο αλυσίδες με δεσμούς μεταξύ των υδρογόνων των αντικριστών βάσεων των νουκλεοτιδίων. Αρχικά ένωσε Α με Α, Τ-Τ, G-G, και C-C.

Ομως η κατασκευή δεν φαινόταν δυνατή. Παίζοντας με τις διάφορες βάσεις αντελήφθη ότι αν ένωνε μια αδενίνη με μια θυμίνη ή μια γουανίνη με μια κυτοσίνη και τα αντίστροφά τους (Τ-Α, C-G) όχι μόνο το υπόδειγμα είχε ευστάθεια αλλά εξηγούσε απόλυτα τον μηχανισμό του πολλαπλασιασμού: αν μια ελικοειδής αλυσίδα απομακρυνόταν από τη συμπληρωματική της μπορούσε να προσελκύσει τα «συμπληρωματικά» της νουκλεοτίδια και έτσι να δομηθεί ολόκληρη η συμπληρωματική της αλυσίδα! Και κάτι που δεν αναμένετο: επιτέλους εξηγούνταν τα αποτελέσματα των χημικών αναλύσεων του βιοχημικού Erwin Chargaff, ο οποίος σε διάφορα DNA εύρισκε ίδιες ποσότητες αδενίνης με θυμίνη, και ίδιες γουανίνης με κυτοσίνη!

Αυτό το είχε ανακοινώσει λίγα χρόνια πριν σε ένα συνέδριο και ένας φίλος μου παρευρισκόμενος ελεεινολογούσε εκ των υστέρων τον εαυτό του και τους άλλους παρισταμένους ότι κανένας από τα 200 άτομα που ήσαν παρόντα (ερευνητές υψηλής νοημοσύνης) δεν κατάλαβε τη σημασία αυτού του δεδομένου! Ο ίδιος ο Chargaff τόσο ενοχλήθηκε που του διέφυγε κάτι τέτοιο ώστε αρχικά αρνιόταν ότι η «διπλή έλικα» των Watson και Crick ήταν ορθή!

Διεθνής αναγνώριση

Το 1962 οι Watson, Crick και Wilkins τιμήθηκαν με το βραβείο Νομπέλ για την ανακάλυψή τους, ενώ η Rosalind Franklin, που πέθανε νέα το 1958 δεν τιμήθηκε: το βραβείο απονέμεται μόνο σε ζώντες. Είχαν όμως κατ’ επανάληψη προταθεί για βράβευση οι τρεις τους, όπως φανερώνουν τα αρχεία της Σουηδικής Ακαδημίας που φέτος έγιναν προσιτά, 60 χρόνια μετά. Από τους πρωτεργάτες ο Crick έκανε σημαντικές συνεισφορές στη μοριακή γενετική και ακολούθως εστράφη στη μελέτη του νευρικού συστήματος και της αυτοσυνειδησίας. Πέθανε τo 2004.

Ο Watson έγινε γνωστός για τη σύλληψη και ποδηγέτηση του προγράμματος καταγραφής της αλληλουχίας των βάσεων του ανθρωπίνου γονιδιώματος και για τη συγγραφή του συναρπαστικού βιβλίου του «The Double Helix» που εξιστορεί την ανακάλυψή τους. Και ο Crick έγραψε ένα βιβλίο με το ίδιο περιεχόμενο αλλά περισσότερο επιστημονικό («What mad pursuit»).

Πρωτοπόροι της Γενετικής

Ο Γρηγόριος Μέντελ απέδειξε στα τέλη του 19ου αιώνα ότι η κληρονομικότητα από γενιά σε γενιά μεταβιβάζεται διά μέσου γονιδίων, στοιχείων φύσεως μοναδιαίας, που δεν συμπεριφέρονται ως υγρά, δηλαδή δεν αναμειγνύονται.

Η κρυσταλλογράφος Rosalind Franklin, απεβίωσε το 1958 και ως εκ τούτου δεν τιμήθηκε με το βραβείο Νoμπέλ, το οποίο απονέμεται μόνο σε ζώντες. Ο ρόλος, ωστόσο, της Franklin στην ανακάλυψη της δομής του DNA ήταν καθοριστικός.

Ο Maurice Wilkins συνέγραψε μαζί με δύο συνεργάτες του κρυσταλλογράφους ένα από τα τρία διαδοχικά άρθρα για τη δομή του DNA στο διεθνούς κύρους επιστημονικό περιοδικό Nature πριν από εξήντα χρόνια.

Ο Ιταλός μετανάστης στις ΗΠΑ και γενετιστής των ιών, Salvador Luria, ήταν αυτός που έστειλε τον αγαπημένο του μαθητή, James Watson με υποτροφία στην Ευρώπη για να μελετήσει βιοχημεία.

*Ο κ. Κώστας Κριμπάς είναι ακαδημαϊκός.

ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗ
thecuriosityofcat.blogspot.gr
Αποκάλυψη

awakengr.com