18. oktobra 1962. James D. Watson iz SAD-a i Francis Crick i dr. Maurice Wilkins iz Britanije dobili su Nobelovu nagradu za medicinu i fiziologiju za svoj rad na određivanju molekularne strukture DNK, za otkriće da je to dvostruka spirala (uzvojnica). Spoznaje o DNK su ključ razvoja moderne biologije i medicine.

Često se – sasvim pogrešno – kaže kako su ova dvojica otkrili DNK, i često to tako ostane zapamćeno. Ne, nisu, oni su dešifrovali strukturu DNK i objasnili njenu ulogu u nasljeđivanju, odnosno način na koji ova molekula predstavlja uputu za sintezu proteina.

Samu DNK prvi je put identificirao i izolirao gotovo vijek prije njih Friedrich Miescher 1869. Međutim, u istraživanje DNK je bilo uključeno mnogo naučnika i mnogo spoznaja i otkrića je utrlo put Watsonu i Cricku.

Švicarski fiziolog i hemičar Friedrich Miescher prvi je identificirao ono što je nazvao “nuklein” unutar nukleusa leukocita čovjeka. Izraz “nuklein” kasnije je promijenjen u “nukleinska kiselina” i na kraju u “dezoksiribonukleinsku kiselinu” ili “DNK”. Miescherov plan bio je izolirati i okarakterizirati proteinske komponente leukocita. Njemu je lokalna klinika slala upotrijebljene zavoje za pacijente čije su se rane gnojile, a Mieschner je htio proučiti koji se to proteini nalaze u leukocitima, kojih ima u gnoju. No, kada je naišao na tvar iz nukleusa stanica koja je imala hemijska svojstva različita od bilo kojeg proteina, uključujući mnogo veći sadržaj fosfora i otpornost na proteolizu, Miescher je shvatio da je otkrio novu tvar.

U decenijama nakon Miescherova otkrića, drugi naučnici poput  Phoebusa Levenea i Erwina Chargaffa proveli su niz istraživačkih napora koji su otkrili dodatne detalje o molekuli DNK, uključujući njezine primarne hemijske komponente i načine na koje su se spojili. Bez naučnih temelja ovih pionira, Watson i Crick možda nikada ne bi došli do svog revolucionarnog zaključka iz 1953. godine: da molekula DNK postoji u obliku trodimenzionalne dvostruke spirale.

Američki hemičar litvansko-jevrejskog porijekla Phoebus Levene otkrio je potom redoslijed tri glavne komponente jednog nukleotida (fosfat-šećer-baza),  osnovne gradivne komponenete nukleinskih kiselina, a identifikovao je i šećernu komponentu RNK (riboza) te šećernu komponentu DNK (dezoksiriboza) 1929.

Erwin Chargaff, američki biohemičar rođen u Austro-Ugarskoj, primijetio je da sastav nukleotida DNA varira među vrstama. Dakle, isti se nukleotidi ne ponavljaju istim redoslijedom, kako je predložio prvobitno Levene. U ljudskoj DNK, na primjer, četiri heterociklične baze, adenin, timin, gvanin i citozin, ta “slova genetičke abecede”,  prisutne su u ovim postocima: A = 30,9% i T = 29,4%; G = 19,9% i C = 19,8%.

Zatim, Chargaff je zaključio da gotovo sva DNK – bez obzira iz kojeg organizma ili tipa tkiva dolazi – zadržava određena svojstva, čak i ako se njen sastav razlikuje. Količina adenina (A) obično je slična količini timina (T), a količina gvanina (G) obično je približna količini citozina (C). Ovo je danas poznato kao Chargaffova pravila. Drugim riječima, ukupna količina purinskih baza (A + G) i ukupna količina pirimidinskih baza (C + T) obično su gotovo jednake. Chargaffovo je istraživanje bilo od vitalnog značaja za kasnije Watsonovo i Crickovo djelo, ali sam Chargaff nije mogao zamisliti objašnjenje tih odnosa – da je A vezan za T, i C vezan za G unutar molekularne strukture DNK.

Za one koji se tek upoznaju s DNK, i ne znaju puno ili ih treba podsjetiti, preporučujemo Nauka govori Youtube kanal:

 

Oswald Avery, Colin MacLeod i Maclyn McCarty pokazali su da DNK, a ne proteini, kako se do tad mislilo, može transformisati svojstva stanica, pojašnjavajući hemijsku prirodu gena. Avery, MacLeod i McCarty identificirali su DNK kao ,,princip transformacije” proučavajući Streptococcus pneumoniae, bakterije koje mogu uzrokovati upalu pluća.

Bakteriologe je zanimala razlika između dva soja streptokoka koje je Frederick Griffith identificirao 1923. godine: jedan, soj S (smooth-glatki), ima polisaharidni omotač i stvara glatke, sjajne kolonije a drugi, R (rough-grubi) soj, stvara kolonije koje izgledaju grubo i nepravilno. Relativno bezopasnom soju R nedostaje enzim potreban za stvaranje kapsule koja se nalazi u virulentnom soju S.

 
Oswald Avery

 

1932. Oswalda Averyja i grupu naučnika oko njega počinje zanimati Griffithov eksperiment – koji je pokazao da se bezopasni soj može nekako transformisati u R soj. Godine 1944. Oswald Avery, Maclyn McCarty i Colin MacLeod izvijestili su da je transformacijska tvar – genetički materijal stanice – DNK. Ovaj je rezultat u početku naišao na skepticizam, jer su mnogi naučnici vjerovali da će se proteini pokazati kao skladište nasljednih informacija. Na kraju je ipak dokazana uloga DNK i priznat je Averyjev doprinos genetici.

Godine 1952. Alfred Hershey i Martha Chase objavili su izvještaj koji potvrđuje da DNK posjeduje nasljedne podatke. U njihovom eksperimentu korišten je bakteriofag T2, koji je, poput drugih virusa, samo DNK i nekoliko proteina. Može se razmnožavati u bakterijama poput E. coli. Kad su novi T2 virusi spremni napustiti ćeliju domaćina E. coli (i otići inficirati druge), oni će raspršiti stanicu E. coli i ubiti je (otuda i naziv “bakteriofag” – onaj koji jede bakterije). Hershey i Chase tražili su odgovor na pitanje je li virusna DNK ili virusni proteinski omotač (kapsida) materijal virusnog genetičkog koda koji se ubrizgava u E. coli? Njihovi rezultati su također pokazali da je virusna DNK, a ne protein, njegov genetički materijal.

Chargaffova spoznaja da se u molekuli dezoksiribonukleinske kiseline uparuju adenin i timin te gvanin i citozin je dalje bila produbljena presudnim radovima iz kristalografije pomoću X-zraka (X-ray cristallography) engleskih naučnika Rosalind Franklin i Raymonda Goslinga. Fotografija  51, koja prikazuje difrakcijsku shemu kristalizirane molekule DNK će postati dio istorije. Fotografiju je pod supervizijom Franklin načinio Gosling. Gosling je po svom dolasku na King’s College London bio pod supervizijom Mauricea Wilkinsa, da bi kasnije bio dodijeljen Rosalind Franklin, pa opet vraćen pod superviziju Wilkinsa. Za ovu pretumbaciju mladog Goslinga kriv je biofizičar Sir John Randall, a Goslinga je preraspodijelio Franklinovoj bez Wilkinsova znanja, što će kasnije postati kamen spoticanja Randala i Wilkinsa.

Fotografija 51 – difrakcijska slika parakristala DNK

 

 

Međutim, kada je Gosling, autor fotografije 51 opet došao pod Wilkinsovu superviziju, kao da je i sama fotografija promijenila “vlasnika” – Wilkins je nepublikovanu fotografiju slobodno pokazao Jamesu Watsonu. Franklin za to nije znala jer je u to vrijeme napuštala King’s College. Randall je zamolio mladog Goslinga da podijeli podatke s Wilkinsom, koji bez konsultacija (a možda i zbog huje što je Randall tek tako preraspodijelio Goslinga drugom istraživaču) pokazuju ovu fotografiju Watsonu. Čini se da su i Franklin i Gosling žrtve akademskog spoticanja nogu, nesporazuma i sujete.

Ova fotografija doprinijela je Watsonovom i Crickovom izvođenju trodimenzionalnog dvostrukog spiralnog modela za strukturu DNK. Otkriće Watsona i Cricka također je omogućeno nedavnim napretkom u izradi modela ili skupom mogućih trodimenzionalnih struktura na temelju poznatih molekularnih udaljenosti i uglova veza, što je tehnika koju je unaprijedio američki biokemičar Linus Pauling. Zapravo su se Watson i Crick brinuli da će ih Pauling “prestići”, predloživši drugačiji model trodimenzionalne strukture DNK samo nekoliko mjeseci prije nego što su to učinili. Na kraju je, međutim, Paulingovo predviđanje bilo netačno.

Koristeći kartonske modele koji predstavljaju pojedinačne hemijske komponente četiri baze i druge nukleotidne podjedinice, Watson i Crick pomicali su molekule na svojim radnim površinama, kao da sastavljaju slagalicu. Neko su vrijeme bili zavedeni pogrešnim razumijevanjem kako su konfigurisani različiti elementi u timinu i gvaninu (posebno ugljik, dušik, vodik i kisik). Na prijedlog američkog naučnika Jerryja Donohuea, Watson je odlučio napraviti nove kartonske dijelove koji predstavljaju te dvije baze kako bi vidio hoće li možda drugačija atomska konfiguracija nešto promijeniti. I jeste. Ne samo da su se komplementarne baze sada savršeno uklapale (tj. A sa T i C sa G), pri čemu je svaki par zajedno bio povezan vodikovim vezama, već je i struktura odražavala Chargaffovo pravilo.

S lijeva nadesno: Gosling, Franklin, Watson, Crick, Wilkins

U suštini, otkriće strukture i funkcije DNK, načina na koji ova molekula kodira aminokiseline i njihov redoslijed, kodirajući na taj način proteine živog svijeta, bilo je otkriće koje je stajalo na ramenima mnoštva naučnika. Njeno otkriće ne treba pogrešno pripisivati Watsonu i Cricku, nego je to otkriće Friedricha Mieschera, dok je otkriće njene funkcije – otkriće Averyja, McCartyja i MacLeoda. Otkriće strukture DNK je nešto u što su uloženi zajednički napori Cricka, Watsona, Franklin, Wilkinsa i Goslinga, a otkriće načina na koji DNK kodira proteine, tripleta baza koji se prevode u niz aminokiselina je nešto što je zaista velika zasluga Watsona i Cricka. Svaki od ovih naučnika je radio na problemu zvanom DNK i konačno otkriće je rezonancija znanja svih tih ljudi. Istorija nauke otkriva ulogu svakog od njih u otkriću, a uloga Rosalind Franklin i Raymonda Goslinga neće biti zaboravljena u ovoj istoriji.