Precies 65 jaar geleden publiceerden de Britse wetenschappers James Watson en Francis Crick een artikel over het ontcijferen van de structuur van DNA, waarmee de basis werd gelegd voor een nieuwe wetenschap: moleculaire biologie. Deze ontdekking is veel veranderd in het leven van de mensheid. RIA Novosti vertelt over de eigenschappen van het DNA-molecuul en waarom het zo belangrijk is.
In de tweede helft van de 19e eeuw was biologie een heel jonge wetenschap. Wetenschappers waren net begonnen met het bestuderen van de cel en het concept van erfelijkheid, hoewel het al door Gregor Mendel was geformuleerd, kreeg geen brede erkenning.
In het voorjaar van 1868 kwam een jonge Zwitserse arts, Friedrich Miescher, naar de Universiteit van Tübingen (Duitsland) om wetenschappelijk werk te doen. Hij was van plan erachter te komen uit welke stoffen de cel bestaat. Voor experimenten koos ik voor leukocyten, die gemakkelijk uit pus te verkrijgen zijn.
Door de kern te scheiden van protoplasma, eiwitten en vetten, ontdekte Miescher een verbinding met een hoog fosforgehalte. Hij noemde dit molecuul nucleïne ("kern" in het Latijn is de kern).
Deze verbinding vertoonde zure eigenschappen, daarom werd de term "nucleïnezuur" bedacht. Het voorvoegsel deoxyribo betekent dat het molecuul H-groepen en suikers bevat. Toen bleek dat het eigenlijk zout was, maar de naam werd niet veranderd.
Aan het begin van de 20e eeuw wisten wetenschappers al dat een nucleïne een polymeer is (dat wil zeggen een zeer lang flexibel molecuul van herhalende eenheden), de eenheden zijn samengesteld uit vier stikstofhoudende basen (adenine, thymine, guanine en cytosine), en het nucleïne zit in chromosomen - compacte structuren die ontstaan in delende cellen. Hun vermogen om erfelijke eigenschappen over te brengen, werd door de Amerikaanse geneticus Thomas Morgan aangetoond in experimenten met fruitvliegen.
DNA-structuur.
Promotie video:
Het model dat genen verklaarde
Maar wat deoxyribonucleïnezuur, of kortweg DNA, doet in de celkern, werd lange tijd niet begrepen. Men dacht dat het een soort structurele rol speelde in chromosomen. De erfelijkheidseenheden - genen - werden toegeschreven aan de eiwitaard. De doorbraak kwam van de Amerikaanse onderzoeker Oswald Avery, die experimenteel bewees dat genetisch materiaal via DNA van bacteriën op bacteriën wordt overgedragen.
Het werd duidelijk dat DNA bestudeerd moest worden. Maar hoe? Op dat moment waren alleen röntgenfoto's beschikbaar voor wetenschappers. Om biologische moleculen erdoorheen te laten schijnen, moesten ze kristalliseren, en dit is moeilijk. Het ontcijferen van de structuur van eiwitmoleculen door röntgendiffractiepatronen werd uitgevoerd in het Cavendish Laboratory (Cambridge, VK). De jonge onderzoekers James Watson en Francis Crick die daar werkten, hadden geen eigen experimentele gegevens over DNA, dus gebruikten ze de röntgenfoto's van collega's van King's College Maurice Wilkins en Rosalind Franklin.
Watson en Crick stelden een model voor van de structuur van DNA dat exact overeenkomt met de röntgendiffractiepatronen: twee parallelle strengen worden in een rechtse helix gedraaid. Elke ketting wordt gevouwen door een willekeurige reeks stikstofhoudende basen die op de ruggengraat van hun suikers en fosfaten zijn geregen en bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen die tussen de basen zijn uitgerekt. Bovendien combineert adenine alleen met thymine en guanine - met cytosine. Deze regel wordt het complementariteitsbeginsel genoemd.
Het model van Watson en Crick legde de vier belangrijkste functies van DNA uit: replicatie van genetisch materiaal, de specificiteit ervan, opslag van informatie in een molecuul en het vermogen om te muteren.
De wetenschappers publiceerden hun ontdekking op 25 april 1953 in het tijdschrift Nature. Tien jaar later kregen hij en Maurice Wilkins de Nobelprijs voor biologie (Rosalind Franklin stierf in 1958 op 37-jarige leeftijd aan kanker).
“Nu, meer dan een halve eeuw later, kunnen we stellen dat de ontdekking van de structuur van het DNA dezelfde rol speelde in de ontwikkeling van de biologie als de ontdekking van de atoomkern in de fysica. De opheldering van de structuur van het atoom leidde tot de geboorte van een nieuwe, kwantumfysica, en de ontdekking van de structuur van DNA leidde tot de geboorte van een nieuwe, moleculaire biologie”, schrijft Maxim Frank-Kamenetsky, een uitmuntend geneticus, DNA-onderzoeker, auteur van The Most Important Molecule.
Genetische code
Nu bleef het om uit te zoeken hoe dit molecuul werkt. Het was bekend dat DNA instructies bevat voor de synthese van cellulaire eiwitten die al het werk in de cel doen. Eiwitten zijn polymeren die zijn opgebouwd uit zich herhalende sets (sequenties) van aminozuren. Bovendien zijn er maar twintig aminozuren. Diersoorten verschillen van elkaar in de reeks eiwitten in cellen, dat wil zeggen in verschillende sequenties van aminozuren. Genetica voerde aan dat deze sequenties worden gegeven door genen, waarvan toen werd aangenomen dat ze de eerste bouwstenen van het leven waren. Maar wat genen waren, wist niemand precies.
De auteur van de Big Bang-theorie, natuurkundige Georgy Gamov, een medewerker van de George Washington University (VS), maakte het duidelijk. Gebaseerd op het model van de dubbelstrengige DNA-helix van Watson en Crick, suggereerde hij dat een gen een stuk DNA is, dat wil zeggen een bepaalde reeks schakels - nucleotiden. Omdat elke nucleotide een van de vier stikstofbasen is, hoef je alleen maar uit te zoeken hoe de vier elementen twintig coderen. Dit was het idee achter de genetische code.
In het begin van de jaren zestig was vastgesteld dat eiwitten worden gesynthetiseerd uit aminozuren in ribosomen, een soort "fabrieken" in de cel. Om de eiwitsynthese te starten, benadert een enzym het DNA, herkent een specifieke plaats aan het begin van het gen, synthetiseert een kopie van het gen in de vorm van een klein RNA (het wordt een template genoemd) en vervolgens wordt een eiwit gekweekt uit aminozuren in het ribosoom.
Ze ontdekten ook dat de genetische code uit drie letters bestaat. Dit betekent dat drie nucleotiden overeenkomen met één aminozuur. De eenheid van de code werd een codon genoemd. In het ribosoom wordt informatie van mRNA opeenvolgend codon voor codon gelezen. En elk van hen komt overeen met verschillende aminozuren. Hoe ziet het cijfer eruit?
Marshall Nirenberg en Heinrich Mattei uit de VS beantwoordden deze vraag. In 1961 presenteerden ze hun resultaten voor het eerst op een biochemisch congres in Moskou. In 1967 was de genetische code volledig gedecodeerd. Het bleek universeel te zijn voor alle cellen van alle organismen, wat verstrekkende gevolgen had voor de wetenschap.
De ontdekking van de structuur van DNA en de genetische code heeft het biologische onderzoek volledig geheroriënteerd. Het feit dat elk individu een unieke DNA-sequentie heeft, heeft de forensische wetenschap fundamenteel veranderd. Het ontcijferen van het menselijk genoom heeft antropologen een geheel nieuwe methode gegeven om de evolutie van onze soort te bestuderen. De recentelijk uitgevonden DNA-editor CRISPR-Cas heeft gentechnologie veel vooruit geholpen. Blijkbaar slaat dit molecuul de oplossing op voor de meest urgente problemen van de mensheid: kanker, genetische ziekten, veroudering.
Tatiana Pichugina
