Tieši pirms 65 gadiem britu zinātnieki Džeimss Vatsons un Fransiss Kriks publicēja rakstu par DNS struktūras atšifrēšanu, liekot pamatus jaunai zinātnei - molekulārajai bioloģijai. Šis atklājums ir daudz mainījies cilvēces dzīvē. RIA Novosti runā par DNS molekulas īpašībām un kāpēc tā ir tik svarīga.
19. gadsimta otrajā pusē bioloģija bija ļoti jauna zinātne. Zinātnieki tikai sāka pētīt šūnu, un iedzimtības jēdziens, kaut arī to jau bija formulējis Gregors Mendels, neguva plašu atzinību.
1868. gada pavasarī jauns Šveices ārsts Frīdrihs Mešers ieradās Tībingenes universitātē (Vācija) zinātniskā darba veikšanai. Viņš domāja noskaidrot, no kādām vielām šūna sastāv. Eksperimentiem es izvēlējos leikocītus, kurus ir viegli iegūt no strutas.
Atdalot kodolu no protoplazmas, olbaltumvielām un taukiem, Miesers atklāja savienojumu ar augstu fosfora saturu. Viņš nosauca šo molekulas nukleīnu (“kodols” latīņu valodā ir kodols).
Šim savienojumam piemita skābas īpašības, tāpēc tika izveidots termins "nukleīnskābe". Tās prefikss dezoksibro nozīmē, ka molekulā ir H grupas un cukuri. Tad izrādījās, ka tā faktiski bija sāls, bet nosaukums netika mainīts.
20. gadsimta sākumā zinātnieki jau zināja, ka nukleīns ir polimērs (tas ir, ļoti ilga elastīga atkārtojošu vienību molekula), vienības sastāv no četrām slāpekļa bāzēm (adenīns, timīns, guanīns un citozīns), un nukleīns ir ietverts hromosomās - kompaktajās struktūrās, kas rodas dalot šūnas. Viņu spēju pārnest iedzimtas iezīmes demonstrēja amerikāņu ģenētiķis Tomass Morgans eksperimentos ar augļu mušām.
DNS struktūra.
Reklāmas video:
Modelis, kas izskaidroja gēnus
Bet ko dezoksiribonukleīnskābe jeb īsi - DNS dara šūnas kodolā, ilgi nesaprata. Tika uzskatīts, ka tam ir sava veida strukturāla loma hromosomās. Iedzimtības vienības - gēni - tika attiecināti uz olbaltumvielu raksturu. Izrāvienu veica amerikāņu pētnieks Osvalds Ārijs (Oswald Avery), kurš eksperimentāli pierādīja, ka ģenētisko materiālu no DNS uz baktērijām pārnēsā baktērijas.
Kļuva skaidrs, ka ir jāpēta DNS. Bet kā? Tajā laikā zinātniekiem bija pieejami tikai rentgenstari. Lai caur tām spīdētu bioloģiskās molekulas, tām vajadzēja izkristalizēties, un tas ir grūti. Olbaltumvielu molekulu struktūras atšifrēšana ar rentgenstaru difrakcijas modeļiem tika veikta Kavendišas laboratorijā (Kembridža, Lielbritānija). Jaunajiem pētniekiem Džeimsam Vatsonam un Fransiskam Krikam, kuri tur strādāja, nebija savu eksperimentālo datu par DNS, tāpēc viņi izmantoja Karaļa koledžas kolēģu Maurice Wilkins un Rosalind Franklin radiogrāfijas.
Vatsons un Kriks ierosināja DNS struktūras modeli, kas precīzi atbilst rentgenstaru difrakcijas modeļiem: divi paralēli virzieni ir savīti labās puses spirālē. Katra ķēde ir salocīta ar patvaļīgu slāpekļa bāzu komplektu, kas savērts uz to cukuru un fosfātu mugurkaula un turēts kopā ar ūdeņraža saitēm, kas izstieptas starp bāzēm. Turklāt adenīns apvieno tikai ar timīnu, bet guanīns - ar citozīnu. Šo noteikumu sauc par papildināmības principu.
Vatsona un Krika modelis izskaidroja četras galvenās DNS funkcijas: ģenētiskā materiāla replicēšanu, tā specifiskumu, informācijas glabāšanu molekulā un spēju mutēt.
Zinātnieki savus atklājumus publicēja žurnālā Nature 1953. gada 25. aprīlī. Pēc desmit gadiem viņš un Maurice Wilkins saņēma Nobela prēmiju bioloģijā (Rosalinda Franklina nomira 1958. gadā no vēža 37 gadu vecumā).
“Tagad, vairāk nekā pusgadsimtu vēlāk, mēs varam apgalvot, ka DNS struktūras atklāšanai bija tāda pati loma bioloģijas attīstībā kā atoma kodola atklāšanai fizikā. Atoma struktūras noskaidrošana noveda pie jaunas, kvantu fizikas dzimšanas, un DNS struktūras atklāšana noveda pie jaunas, molekulārās bioloģijas dzimšanas,”raksta Maksims Frenks-Kamenetsky, izcils ģenētiķis, DNS pētnieks, grāmatas“Vissvarīgākā molekula”autors.
Ģenētiskais kods
Tagad atlika noskaidrot, kā šī molekula darbojas. Bija zināms, ka DNS satur instrukcijas šūnu olbaltumvielu sintēzei, kuras šūnā veic visu darbu. Olbaltumvielas ir polimēri, kas sastāv no atkārtotām aminoskābju kopām (sekvencēm). Turklāt ir tikai divdesmit aminoskābes. Dzīvnieku sugas atšķiras viena no otras olbaltumvielu komplektā šūnās, tas ir, dažādās aminoskābju secībās. Ģenētika apgalvoja, ka šīs sekvences dod gēni, kas pēc tam tika uzskatīti par pirmajiem dzīves pamatiem. Bet kas bija gēni, neviens precīzi nezināja.
Lielā sprādziena teorijas autors, fiziķis Georgijs Gamovs, Džordža Vašingtona universitātes (ASV) darbinieks, to skaidri pateica. Balstoties uz Vatsona un Krika divpakāpju DNS spirāles modeli, viņš ierosināja, ka gēns ir DNS gabals, tas ir, noteikta saišu secība - nukleotīdi. Tā kā katrs nukleotīds ir viena no četrām slāpekļa bāzēm, jums vienkārši jāizdomā, kā četri elementi kodē divdesmit. Tāda bija ģenētiskā koda ideja.
Līdz 1960. gadu sākumam tika noteikts, ka olbaltumvielas tiek sintezētas no aminoskābēm ribosomās - sava veida "rūpnīcās" šūnas iekšienē. Lai sāktu olbaltumvielu sintēzi, enzīms pieiet pie DNS, atpazīst noteiktu vietu gēna sākumā, sintezē gēna kopiju neliela RNS formā (to sauc par šablonu), pēc tam no aminoskābēm ribosomā tiek audzēts proteīns.
Viņi arī uzzināja, ka ģenētiskais kods ir trīs burtu. Tas nozīmē, ka trīs nukleotīdi atbilst vienai aminoskābei. Koda vienību sauca par kodonu. Ribosomā informāciju no mRNS nolasa kodons ar kodonu secīgi. Un katrs no tiem atbilst vairākām aminoskābēm. Kā izskatās šifrs?
Uz šo jautājumu atbildēja Maršals Nirenbergs un Heinrihs Mattei no ASV. 1961. gadā viņi pirmo reizi prezentēja savus rezultātus bioķīmiskajā kongresā Maskavā. Līdz 1967. gadam ģenētiskais kods bija pilnībā atkodēts. Tas izrādījās universāls visām organismu šūnām, kam bija tālejošas sekas zinātnei.
DNS struktūras un ģenētiskā koda atklāšana ir pilnībā pārorientējusi bioloģiskos pētījumus. Fakts, ka katram indivīdam ir unikāla DNS secība, ir būtiski mainījis kriminālistiku. Cilvēka genoma atšifrēšana ir devusi antropologiem pilnīgi jaunu metodi mūsu sugas evolūcijas izpētei. Nesen izgudrotais DNS redaktors CRISPR-Cas ir daudz progresējis gēnu inženierijas jomā. Acīmredzot šī molekula glabā cilvēces aktuālāko problēmu risinājumu: vēzi, ģenētiskās slimības, novecošanos.
Tatjana Pičugina