Кой е открил структурата на ДНК. Изобретения и открития

Прониквайки все по-дълбоко в тайните на Вселената, човекът се опита да отговори на един от основните въпроси, които са си задавали древните мъдреци: какво е животът, какво е самият човек? Мистерията на раждането на живите организми интересуваше учените не по-малко от структурата на звездите. Откритията в областта на биологията, направени през XX век, изведоха човечеството до нови граници, очертаха наистина фантастични перспективи. Молекулярната биология все още е една от най-обещаващите науки на нашето време.

След като разработи теорията за еволюцията на живите организми, Дарвин не можа да отговори на въпроса как промените в структурата и функциите на живите организми, възникнали в процеса на тази еволюция, се фиксират в потомството. Но когато книгата му току-що излезе от печат, Грегор Мендел вече е поставил експериментите си в Чехия. Неговите заключения положиха основата на развитието на науката за наследствеността - генетиката, която е била предназначена да обясни най-важните мистерии на Вселената. Използвайки модела на граховото зърно, Мендел е първият, който установява съществуването на специални „наследствени фактори“ (по-късно наречени „гени“), предавани от едно поколение на следващо, като същевременно носи определени черти. Въпреки това, дълго време самият механизъм на предаване беше непознат за учените.

В същото време в Германия работи зоологът Август Вайсман, който изразява и доказва правилността на мнението, че прехвърлянето на родителските свойства върху потомството зависи от прякото прехвърляне на някаква материална субстанция от родителите, което според Вайсман е било съдържащи се в хромозомите - органели на клетката. Най-важното изследване за развитието на генетиката впоследствие е проведено от американеца Томас Морган. След като направиха много експерименти върху плодови мухи, той и колегите му стигнаха до изводи за материалните основи на наследствеността, линейната локализация на гените в хромозомите, моделите на тяхната мутационна вариабилност, цитогенетичния механизъм на тяхното наследствено предаване и др., което направи възможно е да се финализират основните принципи хромозомна теориянаследственост.

През 1869 г. биохимикът Мишер изолира от клетъчните ядра непознато досега вещество със свойствата слаба киселина... По-късно химикът Левин открива, че съставът на тази киселина включва въглехидрата дезоксирибоза, поради което е наречена дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК). През 1920 г. същият Левин идентифицира четири азотни бази в ДНК: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимидин (Т). Така още през 20-те години на XX век. учените знаеха от какво е направена ДНК. Тази информация е значително допълнена през 1950 г. от биохимика Чаргаф, който открива, че в молекулата на ДНК количеството А е равно на количеството Т, а количеството G е равно на количеството С.

Въпреки това, по отношение на ролята на ДНК в съхранението и предаването наследствена информация, тогава дълго време имаше само предположения за това. През 1944 г. микробиолозите Ейвъри, Маккарти и Маклауд за първи път прехвърлят определени свойства от един микроб на друг с помощта на ДНК.

И на 28 февруари 1953 г. двама млади учени от университета в Кеймбридж, Джеймс Уотсън и Франсис Крик, обявяват откритието си за структурата на молекулата на ДНК. Те открили, че тази молекула е спирала, състояща се от две вериги. Всяка верига, която има фосфатно-захарна основа, съдържа азотни основи. Водородните връзки между A и T, от една страна, и G и C, от друга, определят стабилността на двойно-спиралната структура. Уотсън и Крик установиха, че последователността от азотни бази в структурата на двойноверижната ДНК е "код" генетична информация, което се предава при копиране (удвояване) на молекула. Когато две ДНК вериги се разделят, към тях могат да се прикрепят нови нуклеотиди и близо до всяка от старите вериги се образува нова, точно съответстваща на нея (тъй като единствената възможна комбинация от нуклеотиди A - T, G - C).

Статия на Уотсън и Крик, озаглавена "Молекулярната структура на нуклеиновите киселини", е публикувана на 25 април 1953 г. в списание Nature. В същия брой е публикувана статия от лондонските учени Р. Франклин и М. Уилкинс, която описва резултатите от рентгеново изследване на ДНК молекула, което показва, че тази молекула наистина е двойна спирала.

Откритието на Уотсън и Крик беше признато почти в целия свят (само СССР закъсня, където генетиката беше унищожена благодарение на усилията на академик Лисенко). Още през 1961 г. американските биолози Ниренберг и Очоа установяват, че отделните ДНК региони кодират, тоест определят структурата на напълно специфични протеинови структури („три съседни нуклеотида кодират една специфична аминокиселина“). Тези учени идентифицираха кодоните, съответстващи на всяка от 20-те аминокиселини.

Естествено, откритието на Уотсън и Крик предостави само основа за по-нататъшни изследвания, но без тази основа генетиката вероятно не би могла да се развие по-нататък. През 1962 г. и двамата учени получават Нобелова награда.

През първата половина на 70-те години на миналия век са получени за първи път хибридни ДНК молекули („ДНК-ДНК“), способни да проникват в клетки от различен произход и да стимулират синтеза на необичайни за тези клетки протеини. Това беше раждането на нова дисциплина, генното инженерство, което веднага беше поставено под правителствен контрол поради потенциалната й употреба за създаване на биологични оръжия. През 1977 г. е разработена първата версия на "машинния" метод за определяне на нуклеотидни последователности в ДНК молекула, което рязко увеличава броя на разкритите ("прочетени") геномни региони и цели гени. През 1982 г. е получен първият терапевтичен агент от ново поколение - генетично модифициран инсулин. Произвежда се от бактериални клетки, в които се вмъква ДНК, която кодира структурата на протеина инсулин. През 1983 г. е разработен метод за увеличаване на броя на ДНК молекулите с помощта на ензима полимераза, а през 1985 г. е разработен метод за индивидуално молекулярно „отпечатване“ (тоест един вид „отпечатък“) на всяка оригинална ДНК проба. Това даде възможност да се сравняват различни ДНК проби помежду си, за да се определи тяхната идентичност или, напротив, несходството. Тези методи веднага започнаха да се прилагат в съдебната медицина за установяване на биологични „следи от престъпление“, както и за установяване на бащинство. Разширява се нова генно-инженерна технология за производство на определени хранителни продукти. През 2000 г. човешкият геном беше почти напълно декодиран. Науката се доближи до възможността да се определи предварително фенотипа, способността, патологията на човек, който тепърва ще се роди. И не само да се дефинира, но и да се коригира, да се заменят „болните гени” със „здрави”.

От историята на откриването на структурата на ДНК

През 1910 г. става ясно, че гените са разположени в хромозомите. Но не беше ясно дали гените са направени от протеин или нуклеинова киселина.

През 1928 г. Ф. Грифит започва да изучава ролята на нуклеиновата киселина в клетъчния живот в експерименти върху пневмококи.

Има два вида пневмококи. В едната двойка бактериални клетки е заобиколена от капсула. Вторият тип клетки е без капсула. Капсулата предпазва микробите от фагоцитоза. Ако въведете такива мишки, тогава те умират. Пневмококът без капсула не заразява мишки и не причинява пневмония.

Опит. Мишките бяха заразени със смес от клетки от живи пневмококи без капсули и мъртви пневмококи с капсули.

Очакваше се мишките да останат здрави. Но те починаха от пневмония. Живите бактерии, изолирани от мишки, имат капсули. Това е феноменът на клетъчната трансформация.

Опит. Микробиолозите предполагат, че някаква субстанция от мъртви пневмококи може да принуди живите клетки да образуват капсули. Те показаха това в експерименти.

Пневмококи с капсули убиват, разбиват ги и приготвят разтвор от тези унищожени клетки - това е екстракт. Към културалната среда се добавя екстракт от мъртви клетки с капсули, след което към тази среда се добавят живи пневмококи без капсули.

Резултат: някои от клетките без капсули бяха трансформирани в клетки с капсули; тяхното потомство също притежава капсулите и, когато се прилага на мишки, причинява пневмония.

Оказа се, че клетките без капсули претърпяха промяна - започнаха да притежават капсули и предизвикаха пневмония. Важно е, че тяхното потомство също е образувало капсули и е причинило пневмония.

Заключение: 1) признаците на пневмокока са се променили, 2) това е по-вероятно поради факта, че някой компонент на екстракта или той е станал част от пневмокока.

Експериментите на Ф. Грифит са продължени от американски учени – микробиолог

ОТ. Ейвъри (1877-1955) и неговите сътрудници.

Те зададоха въпроса: какво вещество причинява трансформацията на един щам на пневмокока в друг? За да направят това, те повторили експериментите на Ф. Грифит, използвайки екстракт от тях вместо микроби.

При опити с пневмококи екстрактът запазва трансформиращата си активност по време на разрушаването на протеините и РНК в него, но я губи при разрушаването на ДНК.

Заключение: ДНК е трансформиращата субстанция. Оттук нататък гените се изграждат от ДНК.

Трансформацията се състои в прехвърляне на гени от мъртви пневмококи към живи и въвеждането им в хромозомата на гостоприемника, т.е. при пневмококи без капсули.

Ролята на ДНК в клетката е допълнена от живота на вирусите, съдържащи ДНК. Те инфектират бактериалните клетки, за да осъществят цикъл на размножаване в тях.

В същото време е открита способността на ДНК на вируса да синтезира своите копия и протеини.

От всичко следва, че ДНК контролира живота на съдържащите я клетки и е в състояние да синтезира копия на нейните молекули. Този процес се нарича "самоудвояване" или възпроизвеждане. ДНК е единствената молекула в природата, която може да бъде копирана.

Приносът на акад. Н.К. Колцова

През 1927 г. нашият учен – акад. Н.К. Колцов (1872-1940) пише, че "една невероятно дълга молекула се вписва в една хромозома и по нея има отделни групи от атоми - гени".

Той също така каза за първи път, че „по време на клетъчното делене такива молекули не се създават наново от отделни парчета, а първо изграждат точни копия върху себе си, а след това оригиналната молекула и копието ще се разпръснат заедно с дъщерните хромозоми в новообразуваните клетки " Това е матричният принцип на репликация на гени и след това на хромозоми преди клетката да се раздели на две.

Как се случва дублирането на ДНК преди клетъчното делене е мистерия за биолозите от десетилетия. Учените предположиха, че за да разберете това, трябва да знаете: 1) структурата на ДНК и 2) начините, по които нуклеотидите са подредени в една молекула.

До 1950 г. беше известно, че ДНК е молекула, която се състои от хиляди молекули, свързани една с друга в линия от четири различни видове- нуклеотиди.

E. Chargaff (1950) показа, че във всяка ДНК количеството аденин е равно на количеството тимин (A = T), а количеството гуанин е равно на количеството цитозин (G = C). Това показва, че те са по двойки в молекулата на ДНК: AT; G-C

Р. Фраклин (1920-1958) в лабораторията на М. Уилкинс по метода на рентгеновата кристалография получава „известното сега изображение на картината на структурата на ДНК”.

От това знание обаче не стана ясно: как работи тази молекула или как изглежда? Никой не знаеше как са подредени химическите единици - A, T, G, C, за да носят информация за плана на структурата и възпроизводството на живите същества.

Модел на ДНК молекула

Д. Уотсън и Ф. Крик се заемат със създаването на модел на ДНК молекула, подобно на Л. Полинг – за изследване на пространствената структура на протеин. Това би помогнало да се разберат подробностите за структурата и възможните функции на ДНК.

След като направиха изчисленията, те прекараха 18 месеца в изграждането на модел и създаването на модел на ДНК. Но те не бяха сигурни дали този модел е правилен.

Лидерът на Р. Франклин – М. Уилкинс позволил на Д. Уотсън да се запознае с рентгеновото изображение на молекулата на ДНК, без да казва нищо на Р. Франклин. Когато Д. Уотсън видя образа, получен от Р. Франклин, той разбра: „той и Ф. Крийк не са сбъркали“. На тази снимка те ясно видяха знациспирали и отиде направо в лабораторията, за да провери „всичко на обемен модел“.

Поради липсата на плочи, Д. Уотсън изряза четири вида нуклеотидни оформления от картон: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C) и започна да ги подрежда на масата.

Той веднага открива, че аденинът се комбинира с тимин, а гуанинът с цитозин на принципа за заключване, образувайки двойки. По този начин двете вериги на молекулата на ДНК се държат заедно.

Последователността на тези двойки в една молекула може да варира безкрайно. Това служи като шифър или код, с който се криптира информацията, който определя вида на протеина, синтезиран от дадена клетка (фиг. 1).

Ориз. един.

Основите са свързани водородни връзки.

Молекулата на ДНК има две функции: 1) да предава информация на потомството, т.е. дъщерни клетки и 2) внедряват информация вътре в клетката.

От структурата на двойната спирала веднага се вижда пряка последица – репликация, т.е. възпроизвеждане на ДНК. Метод: дивергенция на две допълващи се вериги и изграждане на нова допълваща верига за всяка от тях. Така от една ДНК молекула се образуват две, които са необходими за клетъчното делене на две. Грешки при репликация, т.е. мутациите са причина за превръщането на нормална клетка в дефектна (фиг. 2 и 3).

И така, матричният принцип на репликация на ДНК преди разделянето беше доказан.

Клетките, предсказани от големия учен акад. Н.К. Колцов. Две части на молекулата са разделени една от друга, за всяка от тях се синтезира нова половина от молекулата. Редът на базите е в ролята на матрица или шаблон за удължаване на молекулите.

ДНК - хранилище на генетична информация

Информацията за синтеза на всеки вид протеин се съхранява в ДНК под формата на определена линейна последователност от бази.

През 1961 г. Ф. Крик доказа, че всяка група от три бази образува кодон. Един кодон кодира една аминокиселина от 20-те основни аминокиселини.

За прехвърляне на информация за структурата на протеина от клетъчното ядро ​​има иРНК. Това е копие от фрагмент от кодиращата шаблонна ДНК верига. Съдържа урацил вместо тимин.

Протеин, крайната връзка в прилагането на генетична информация, ще бъде синтезиран от тРНК в рибозомата с помощта на транспортна РНК. Тъй като ДНК служи като хранилище на генетична информация, тя се нарича молекула на живота.

Преди Д. Уотсън и Ф. Крик да започнат да работят върху структурата на ДНК, вече се знае много.

Р. Франклин през 1951 г. за първи път получава първата уникална рентгенова снимка на ДНК молекула, където може да се види, че тази молекула има формата на двойна спирала, много подобна на вита стълба. Нейните снимки изиграха решаваща роля в откритието на Д. Уотсън и Ф. Крик. В знак на това Р. Франклин е наричан "пионер" на молекулярната биология.

Д. Уотсън, Ф. Крик и М. Уилкинс са удостоени с Нобелова награда през 1962 г. за откриването на структурата на ДНК и нейните функции. Р. Франклин почина. Тя умира от рак през 1958 г.

Революция в света на науката

Откриването на пространствената структура на ДНК става основа за редица нови открития.

През 60-те години. XX век механизмът на репликация на ДНК беше потвърден, беше открит ензим, ДНК полимераза, който катализира този процес.

Генетичният код е отворен, т.е. кодът, чрез който протеините се синтезират в клетката.

През 70-те години. XX век бяха създадени още два метода: секвениране и производство на рекомбинантна ДНК.

Получаване на рекомбинантна ДНК или метод на молекулярно клониране. Същността на този метод е, че фрагмент, съдържащ специфичен ген, се вмъква в ДНК молекула.

Например, те го въвеждат в бактерия и тя синтезира нейния продукт – протеин, от който се нуждае човек.

През 80-те години. XX век развита полимераза верижна реакция(PCR). Тази технология е от съществено значение за бързото "умножаване" на желания ДНК фрагмент.

С помощта на PCR е възможно да се извърши ранна диагностика на бактериални и вирусни инфекции, както и на първите ракови клетки в тялото на пациента по техните маркерни гени.

Например, в кръвната плазма на пациент могат да бъдат открити фрагменти от маркерни гени на ракови клетки. Ако фрагментът е в малко количество или само, той се разширява с помощта на PCR и след това лесно се идентифицира.

Откриването на структурата на ДНК даде възможност на учените да дешифрират генома на човека и много други организми. Това откритие направи възможно преминаването към генна терапия за всяко заболяване, включително рак.

Раковата клетка „се разпознава слабо от имунната система на пациента, т.к произлиза от нормалната клетка на организма гостоприемник."

Следователно, за да се унищожат раковите клетки с помощта на генна терапия, раковите клетки трябва първо да бъдат направени „чужди“ на имунната система.

Има много начини да направите това. Възможно е да се изолират ракови клетки от материала за биопсия на рак, да се въведе "чужд" ген в тях и след това да се въведат тези ракови клетки обратно в тялото на пациента. В този случай имунната система от протеина на този ген ще разпознае раковите клетки като „чужди“ и ще ги унищожи.

При експерименти върху животни този метод за въздействие върху ДНК на раковите клетки дава обнадеждаващи положителни резултати. Но за лечение на пациенти от рак, подобен метод все още е на етап клинични изпитвания.

(Е.Д.Свердлов, 2003).

Към ерата на "живите технологии"

И доста необичайно - началото на нова ера на "живите технологии". Учени от редица страни декларират, че са почти готови да създадат „изкуствен живот“, т.е. абиогенеза.

Докато няма единна дефиниция на живото, то се характеризира с три характеристики; 1) наличието на контейнер, т.е. мембрана, съдържаща съдържанието на клетката;

2) метаболизъм - способност за преобразуване на осн хранителни веществав работните механизми на клетката; 3) наличието на гени - химически структури, необходими за изграждането на клетка, които могат да се предават на потомството и да се променят заедно с промените в околната среда.

Всеки от тези три елемента вече е възпроизведен в лаборатории, учените са готови да започнат да се опитват да комбинират всичко това "в една работна единица", т.е. клетка.

Ако успее, това ще бъде „светът на ултра-малките живи машини: специални клетки ще лекуват човешкото тяло и ще се борят със замърсителите заобикаляща средавещества".

Учените смятат, че непосредствената задача на науката е да създаде "изкуствена клетка", способна да се самовъзпроизвежда и да произвежда уникални химични вещества, включително лекарства, които все още не са синтезирани.

„Изкуствените живи същества“ ще бъдат под пълния контрол на човека, например, „захранвайки“ го с елементи, които не се срещат в природата в чист вид.

Синтез на вируси и началото на клетъчния синтез

1. Проф. Е. Уимър и неговата група от Ню Йорк през 2002 г., за първи път от раждането на „живите“ на Земята, създадоха вирус на полиомиелит от нежива материя.

Учените спорят: вирусите са живи същества или неодушевени обекти?

УМ. Стенли, нобелов лауреат, смята, че „в клетката вирусът се държи като живо същество, а извън клетката е мъртъв като камък“.

Г. Надсън, нашият микробиолог, казва: „Вирусът е или вещество със свойствата на същество, или същество със свойствата на вещество“.

Акад. V.A. Енгелхард, нашият учен, пише: „Много вируси се състоят само от протеин и нуклеинова киселина. Те могат да бъдат класифицирани като химични съединения - нуклеопротеини."

Геномът на вируса на полиомиелит е напълно дешифриран. На тази основа учените са събрали точната последователност от нуклеотиди, съответстваща на естествена проба.

Този генетичен материал беше поставен в подобен на цитоплазма разтвор. В него, според информацията, съдържаща се в ДНК, са синтезирани необходимите протеини.

Проф. E. Wimmer съобщава, че веднага щом всички генетични компоненти са били поставени в епруветката, вирусът незабавно се „самосъбирал“. С други думи,

„Животът, или поне подобието му, започна на половин оборот.“

Създаденият вирус изглеждаше точно като естествената му проба. За да докажат активността на вируса, учените заразиха мишките с него. Животните умират с класическите симптоми на полиомиелит.

За сглобяването на генома на вируса на полиомиелит проф. На Е. Уимър отне три години.

В същата лаборатория Дж. Крейг Вентър синтезира вируса за 14 дни.

2. Синтез на изкуствен phi-X174 вирус. Това е бактериофаг, който съществува в природата и е безопасен за хората и животните.

К. Вентър и неговата група взеха няколко участъка от ДНК и ги свързаха, създавайки пълен геном на вируса, съдържащ единадесет гена. Тази смес се поставя в епруветка, където независимо се сглобява в генетична верига, идентична с генома phi-X174. След това събраният геном е имплантиран в жива клетка, която започва да прави копия на вируса.

3. Американски учени ще създадат форма на живот, непозната в природата. Учени от лабораторията Роквил обявиха намерението си да създават с помощта на генно инженерство нова формаживот - 21.11.2002г.

Целта на проекта е да се изследват основните механизми на възникване и развитие на органичния живот. Основен принос са генетикът К. Вентър и Нобелов лауреатХ. Смит.

Целта на експеримента е да се създаде една клетка, която е основата за формиране на организъм с минимален набор от гени за поддържане на живота.

Ако експериментът е успешен, израсналата клетка ще расте и ще се дели, като по този начин се създава цяла клетъчна структура, която не съществува в природата. Това ще бъде "минималистичен" организъм.

В края на 90-те години на ХХ век. К. Вентър - по това време ръководител на Института за геномни изследвания в Роквил (САЩ), - публикува списък с гени, необходими за съществуването едноклетъчен организъм, - микоплазма. Според неговите изчисления този обитател на човешкия репродуктивен тракт може да се задоволи с 300 от своите 517 гена, които в този микроб образуват една хромозома.

Проектът се основава на една и съща бактерия в продължение на 3 години. Учените възнамеряват да извлекат целия генетичен материал от нейната клетка, след което да съберат изкуствена генна верига от нейните „парчета“, т.е. хромозома. Той ще включва само онези бактериални гени, които са "абсолютно необходими" за поддържане на живота на нов организъм. На последния етап сглобената генна верига ще бъде включена в клетка, лишена от генетичен материал.

Тогава "най-интересното е да се случи, за което е предназначен експериментът" - съживяването на бактериите. Ще последват по-нататъшни наблюдения на такъв полуестествен организъм: как живее и се възпроизвежда.

"Ние се интересуваме от: възможно ли е да се стигне до молекулярна дефиниция на живота и нашата основна цел е фундаментално разбиране на компонентите на най-елементарната жива клетка."

За да избегнат създаването на патогенен агент, К. Вентър и Х. Смит ще лишат новата "микоплазма" от гени, отговорни за прикрепването й към клетките в човешкото тяло, а след това и тези гени, които й позволяват да оцелее при неблагоприятни условия. Резултатът ще бъде „доста крехко същество, абсолютно зависимо от своите създатели“.

Задачата на изследването е също да се научи как изкуствено да създава различни гени. „Това е наистина фундаментална наука“, казва К. Вентър. - Дори

Въпреки факта, че сме открили всички гени в човешкия геном, все още не сме в състояние да разберем тайната на най-простата клетка. Това е, което искаме да направим сега."

К. Вентър и Х. Смит и техните групи на склад имат друга възможност за създаване на жива клетка: изкуствено синтезират тези основни гени в лабораторията, сглобяват ги във верига и след това ги въвеждат в същата бактерия, от която всички нейни генетични материалът ще бъде предварително изтрит

Какво поставя К. Вентър в задачата си – да даде „молекулярна дефиниция на живота“?

Всяка клетка е изградена от молекули, като тялото като цяло. Тяхната структура и състав, както и техните взаимодействия са заложени в гените. По време на еволюцията всяка молекула е пригодена да отговаря на нейната функция в клетката. Една клетка не е хаотично натрупване на молекули, а "техният ред", т.е. организация, тъй като тя е изградена от гени чрез продукти - протеини. Унищожете го, тогава въпреки че тези молекули на клетката ще останат под формата на смес, тя вече ще бъде мъртва, тъй като е била унищожена молекулярна организацияклетки. И то е създадено в процеса на еволюция на „живите”.

Оттук: К. Вентър се стреми с минимум гени да получи такава организация от неодушевени молекули, която да се превърне в "живи". Това ще бъде абиогенеза.

МОСКВА, 25 април - РИА Новости, Татяна Пичугина.Точно преди 65 години британските учени Джеймс Уотсън и Франсис Крик публикуваха статия за дешифрирането на структурата на ДНК, поставяйки основите на една нова наука – молекулярната биология. Това откритие промени много в живота на човечеството. РИА Новости разказва за свойствата на молекулата ДНК и защо е толкова важна.

През втората половина на 19 век биологията е много млада наука. Учените тепърва започваха да изучават клетката и концепцията за наследствеността, въпреки че вече беше формулирана от Грегор Мендел, не получи широко признание.

През пролетта на 1868 г. младият швейцарски лекар Фридрих Мишер идва в университета в Тюбинген (Германия), за да учи научна работа... Той възнамеряваше да разбере от какви вещества е изградена клетката. За експерименти избрах левкоцити, които лесно се получават от гной.

Чрез отделяне на ядрото от протоплазмата, протеините и мазнините, Мишер открива съединение с високо съдържание на фосфор. Той нарече тази молекула нуклеин („ядро“ на латински е ядрото).

Това съединение проявява киселинни свойства, така че терминът " нуклеинова киселина". Неговият префикс "дезоксирибо" означава, че молекулата съдържа Н-групи и захари. Тогава се оказа, че всъщност е сол, но името не е променено.

В началото на 20-ти век учените вече знаеха, че нуклеинът е полимер (тоест много дълга гъвкава молекула от повтарящи се единици), единиците са съставени от четири азотни бази (аденин, тимин, гуанин и цитозин) и нуклеинът се съдържа в хромозомите - компактни структури, които възникват в делящите се клетки. Способността им да предават наследствени белези е демонстрирана от американския генетик Томас Морган в опити върху плодови мухи.

Моделът, обясняващ гените

Но това, което дезоксирибонуклеиновата киселина, или накратко ДНК, прави в клетъчното ядро, не беше разбрано дълго време. Смята се, че играе някаква структурна роля в хромозомите. Единиците на наследствеността - гените - се приписват на протеиновата природа. Пробивът е направен от американския изследовател Осуалд ​​Ейвъри, който експериментално доказа, че генетичният материал се предава от бактерии на бактерии чрез ДНК.

Стана ясно, че трябва да се изследва ДНК. Но как? По това време учените са били достъпни само за рентгенови лъчи. За да просветят биологичните молекули през тях, те трябваше да кристализират, а това е трудно. Дешифрирането на структурата на протеиновите молекули чрез рентгенови дифракционни модели е извършено в лабораторията Кавендиш (Кеймбридж, Великобритания). Младите изследователи Джеймс Уотсън и Франсис Крик, които са работили там, нямат свои собствени експериментални данни за ДНК, така че са използвали рентгеновите снимки на колегите от King's College Морис Уилкинс и Розалинд Франклин.

Уотсън и Крик предложиха модел на структурата на ДНК, който точно съответства на моделите на рентгенова дифракция: две успоредни нишки са усукани в дясна спирала. Всяка верига е нагъната от произволен набор от азотни бази, нанизани върху гръбнака на техните захари и фосфати и държани заедно от водородни връзки, опънати между основите. Освен това аденинът се комбинира само с тимин, а гуанинът - с цитозин. Това правило се нарича принцип на допълване.

Моделът на Уотсън и Крик обяснява четирите основни функции на ДНК: репликация на генетичен материал, неговата специфичност, съхранение на информация в молекула и нейната способност да мутира.

Учените публикуват своето откритие в списание Nature на 25 април 1953 г. Десет години по-късно той и Морис Уилкинс са удостоени с Нобелова награда по биология (Розалинд Франклин умира през 1958 г. от рак на 37-годишна възраст).

„Сега, повече от половин век по-късно, можем да кажем, че откриването на структурата на ДНК играе същата роля в развитието на биологията, както откриването на атомното ядро ​​във физиката. Изясняването на структурата на атома доведе до раждането на нова, квантова физика и откриването на структурата на ДНК доведе до раждането на нова, молекулярна биология", пише Максим Франк-Каменецки, изключителен генетик, изследовател на ДНК, автор на книгата "The Най-важната молекула".

Генетичен код

Сега оставаше само да разберем как работи тази молекула. Беше известно, че ДНК съдържа инструкции за синтеза на клетъчни протеини, които вършат цялата работа в клетката. Протеините са полимери, съставени от повтарящи се набори (последователности) от аминокиселини. Освен това има само двадесет аминокиселини. Животинските видове се различават един от друг по набора от протеини в клетките, тоест по различни последователности от аминокиселини. Генетиката твърди, че тези последователности са дадени от гени, за които тогава се смяташе, че служат като първите градивни елементи на живота. Но какви са гените, никой не знаеше точно.

Яснотата е въведена от автора на теорията Голям взривфизик Георги Гъмов, служител на университета Джордж Вашингтон (САЩ). Въз основа на модела на двойноверижната ДНК спирала от Уотсън и Крик, той предполага, че генът е част от ДНК, тоест определена последователност от връзки - нуклеотиди. Тъй като всеки нуклеотид е една от четирите азотни бази, просто трябва да разберете как четирите елемента кодират двадесет. Това беше идеята зад генетичния код.

В началото на 60-те години на миналия век е установено, че протеините се синтезират от аминокиселини в рибозомите - един вид "фабрики" вътре в клетката. За да започне протеиновия синтез, ензимът се доближава до ДНК, разпознава специфично място в началото на гена, синтезира копие на гена под формата на малка РНК (нарича се шаблон), след което протеинът се отглежда от амино киселини в рибозомата.

Те също така установиха, че генетичният код е трибуквен. Това означава, че три нуклеотида съответстват на една аминокиселина. Единицата на кода се наричаше кодон. В рибозомата информацията от иРНК се чете кодон по кодон, последователно. И всеки от тях отговаря на няколко аминокиселини. Как изглежда шифърът?

На този въпрос отговориха Маршал Ниренберг и Хайнрих Матей от САЩ. През 1961 г. те представят резултатите си за първи път на биохимичен конгрес в Москва. До 1967 г. генетичният код е напълно дешифриран. Оказа се, че е универсален за всички клетки на всички организми, което има далечни последици за науката.

Откриването на структурата на ДНК и генетичния код напълно преориентира биологични изследвания... Фактът, че всеки индивид има уникална ДНК последователност, промени фундаментално криминалистичната наука. Дешифрирането на човешкия геном даде на антрополозите напълно нов метод за изследване на еволюцията на нашия вид. Наскоро изобретеният ДНК редактор CRISPR-Cas изведе генното инженерство много напред. Очевидно тази молекула съхранява решението на най-належащите проблеми на човечеството: рак, генетични заболявания, стареене.

В. Иванов, доктор на физико-математическите науки

Преди 60 години беше направено едно прекрасно нещо научно откритие... На 25 април 1953 г. е публикувана статия за това как работи най-мистериозната молекула, молекулата на дезоксирибонуклеинова киселина. Нарича се накратко ДНК. Тази молекула се намира във всички живи клетки на всички живи организми. Учените са го открили преди повече от сто години. Но тогава никой не знаеше как е подредена тази молекула и каква роля играе в живота на живите същества.
Английският физик Франсис Крик и американският биолог Джеймс Уотсън успяха най-накрая да разкрият мистерията. Откритието им беше много важно. И не само за биолозите, които най-накрая научиха как работи молекулата, която контролира всички свойства на живия организъм. Едно от най-големите открития на човечеството е направено по такъв начин, че е абсолютно невъзможно да се каже към коя наука принадлежи това откритие – химията, физиката и биологията са слети толкова тясно в него. Това сливане на науки е най-ярката характеристика на откритието на Крик и Уотсън.

ЕДНА МОЛЕКУЛА, В КОЯТА МОЖЕТЕ ДА РАЗГЛЕДАТЕ РАЗЛИЧНО

Учените отдавна се интересуват от тайната на основното свойство на всички живи организми - размножаването. Защо децата – независимо дали говорим за хора, мечки, вируси – са като своите родители и баби и дядовци? За да разкрият тайната, биолозите са изследвали различни организми.
И учените са открили, че специални частици от жива клетка - хромозоми - са отговорни за сходството на децата и родителите. Приличат на малки пръчици. Малки участъци от пръчковидна хромозома се наричат ​​гени. Има много гени и всеки е отговорен за някакъв признак на бъдещия организъм. Ако говорим за човек, тогава единият ген определя цвета на очите, другият определя формата на носа... Но от какво се състои генът и как работи, учените не знаеха. Вярно е, че вече беше известно: хромозомите съдържат ДНК и ДНК има нещо общо с гените.
Различни учени искаха да разгадаят тайната на гена: всеки гледаше на тази тайна от гледна точка на собствената си наука. Но за да се разбере как работи ген, малка частица от ДНК, трябваше да се разбере как е подредена самата молекула и от какво се състои.
Химици, които изследват химичен съставвещества, изследвали химичния състав на молекулата на ДНК. Физиците започнаха да сканират ДНК с рентгенови лъчи, по начина, по който обикновено сканират кристали, за да разберат как работят тези кристали. И откриха, че ДНК е като спирала.
Биолозите, разбира се, се интересуваха най-много от генната мистерия. И Уотсън реши да се справи с проблема с гена. За да се учи от напреднали биохимици и да научи повече за природата на гена, той пътува от Америка до Европа.
По това време Уотсън и Крик все още не се познаваха. Уотсън, работил известно време в Европа, не постигна значителен напредък в изясняването на природата на гена.
Но на един от научни конференциитой научил, че физиците изучават структурата на молекулата на ДНК, използвайки свои собствени физически методи. След като научава това, Уотсън осъзнава, че физиците ще му помогнат да разкрие тайната на гена, и заминава за Англия, където получава работа в лаборатория по физика, в която се изучават биологични молекули. Тук се срещнаха Уотсън и Крик.

КАК СЕ ИНТЕРЕСУВА ОТ БИОЛОГИЯТА ФИЗИКЪТ НА КРИК

Крик не се интересуваше от биология. Докато не попадна на книга на известния физик Шрьодингер "Какво е животът от гледна точка на физиката?"
В тази книга авторът предполага, че хромозомата е като кристал. Шрьодингер забелязал, че "възпроизвеждането" на гените наподобява растежа на кристал, и предложил учените да разглеждат гена като кристал. Крик и други физици се интересуваха от това предложение. Ето защо.
Кристалът е много просто физическо тяло по структура: в него една и съща група от атоми се повтаря през цялото време. И устройството на гена се смяташе за много сложно, тъй като има толкова много от тях и всички те са различни. Ако гените се състоят от ДНК вещество и молекулата на ДНК е структурирана по същия начин като кристал, тогава се оказва: тя е едновременно сложна и проста. Как така? Уотсън и Крик разбраха, че физиците и биолозите знаят твърде малко за молекулата на ДНК. Вярно е, че химиците знаеха нещо за ДНК.

КАК УОТСЪН ПОМОГНА НА ХИМИЦИТЕ И ХИМИЦИТЕ ДА ВИЧЯТ

Химиците знаеха, че има четири химични съединения в молекулата на ДНК: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Те бяха обозначени с първите букви - A, T, G, C. И имаше толкова аденин, колкото тимин, а гуанин - колкото цитозин. Защо? Химиците не можеха да разберат това.
Те предположиха: има нещо общо със структурата на молекулата. Но те не знаеха как. Биологът Уотсън помогна на химиците.
Уотсън е свикнал с факта, че в живата природа много неща се срещат по двойки: чифт очи, чифт ръце, чифт крака, има, например, два пола: мъжки и женски... Изглежда, че него, че молекулата на ДНК може да се състои и от две вериги. Но ако ДНК е като спирала, както са установили физиците с помощта на рентгенови лъчи, тогава как в тази спирала двете вериги се задържат една за друга? Уотсън предполага, че с помощта на A, G, C и T, които, подобно на ръцете, са протегнати един към друг. Изрязване на очертанията на тези химични съединенияУотсън ги прилага дълго време по този начин, докато изведнъж не видя: аденинът перфектно се комбинира с тимин, а гуанинът с цитозин.
Уотсън каза на Крийк за това. Той бързо разбра как трябва да изглежда двойната спирала в действителност – в пространството, а не на чертеж.
И двамата учени започнаха да изграждат ДНК модел.
Как е да се "строи"? Ето как. От комплект за молекулярна конструкция, който наподобява комплект за детски играчки. В молекулярния конструктор детайлите са топчета-атоми, които се закопчават една за друга с копчета в реда, в който са разположени атомите в веществото.
Молекулярният дизайнер е изобретен от друг учен - химикът Полинг. Той построи модели на протеинови молекули и установи, че те трябва да съдържат области, които изглеждат като спирали. Много скоро това беше потвърдено от физиците от лабораторията, в която работи Крик. Теоретично беше решен важен биологичен проблем.
Крик харесва метода на Полинг толкова много, че той предлага на Уотсън да изгради ДНК модел с помощта на молекулен конструктор. Така е създаден моделът на известната ДНК двойна спирала, която можете да видите на снимката.
И което е забележително: поради факта, че A в една верига може да се „залепи“ само с T в друга, а G – само с C, автоматично се изпълнява „химическото“ правило, според което количеството A е равно на количеството T, а количеството на G е количеството на C. Но най-важното е, че като се погледне двойната спирала на ДНК, веднага става ясно как да се реши загадката на репродукцията на гени. Достатъчно е да се „развие“ ДНК пигтейла и всяка верига ще може да завърши нова върху себе си, така че A да се залепи заедно с T, а G - с C: имаше един ген - има два. Поради факта, че размерите на двойките AT и G-C са еднакви, молекулата на ДНК по структура наистина прилича на кристал, както предполагат физиците.
И в същото време този "кристал" може да съдържа различни комбинации от A, T, C, G и следователно всички гени са различни.
Решаването на проблема с гените от Уотсън и Крик доведе до факта, че буквално за 2-3 години се формира изцяло нова област на естествените науки, която се нарича молекулярна биология... Често се нарича физическа и химическа биология.

КАК "ФИЗИЦИТЕ" И "ЛИРИКАТА" СПРЯХА ДА СПРАВАТ

Могат да се посочат и други примери за взаимното проникване на различни науки една в друга. Математиката, например, се използва широко в астрономията, физиката и дори в... лингвистиката, науката за структурата на езика.
Математически методи, например, позволяват идентифицирането на истинския автор на неизвестни ръкописи. Открихме неизвестно стихотворение в архивите, а кой е неговият автор? Учените предполагат, че е написана от известен поет. Но как може да се провери това предположение? Математиците изчисляват колко пъти дадена дума се среща в това произведение или, да речем, в каква последователност се появяват думите в текста. Същите изчисления са направени и в известния труд на предполагаемия автор. Резултатите се сравняват. Ако съвпадат, значи оригиналният ръкопис е намерен. Така математиците връщат към нас, читателите, откраднатите от времето произведения на известни писатели и поети.
Или например физика и музика... Какво общо може да има точната наука с изкуството? Оказва се, че има нещо общо.
На струнни инструменти - цигулка, виолончело - музикантът сам избира желаната височина. Цигуларят не харесва как звучи например нотата "C", струва му се, че трябва да звучи малко по-високо или, обратно, малко по-ниско - той сам ще избере точния звук на струната. Пианистът не може да направи това. На клавиатурата всеки клавиш е конкретна нота. Колко пъти натиснете, ще звучи същото. Това означава, че за точното изпълнение на музикално произведение, пианото трябва да бъде много прецизно настроено. Физиците са изчислили честотата на звуковата вибрация, на която музикалните клавиатурни инструменти могат да бъдат настроени най-точно. Както виждате, за музиканти и лингвисти би било трудно без физици и математици.
На съвременния човекнеобходимо е да има голямо разнообразие от знания. Това е особено важно за днешния учен. В наше време се появиха много композитни науки: физическа химияи химическата физика, дори, както вече знаете, физическата и химическата биология. Какво общо има всичко това с теб? Най-пряката.
В училище дори не мислех, че някога ще уча биология. Той обичаше по-точните науки. Но сега се занимавам с биология.
Грешно е да се разделя училищни предметина тези, които са необходими и тези, които не са необходими. Кой знае какво може да ви бъде полезно по-късно?

През 1952 г. английският биофизик Розалинд Франклин открива, че дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК) по структура наподобява вита стълба. Въпреки това, славата на това откритие, което положи основата съвременни изследваниявпоследствие гените са присвоени от Морис I Уилкинс, както и от Франсис Крик и Джеймс Уотсън.

Устройството за наследственост I Розалинд Франклин изхожда от предположението, че ДНК с огромна дължина е полимерна молекула от нуклеотиди - трябва да се състои от повтарящи се блокове. За да провери тази хипотеза, английският изследовател не може просто да прибегне до микроскоп. Такива субмикроскопични явления могат да бъдат уловени само чрез рентгенова дифракция. Затова изследователят изложил молекулите на ДНК на рентгенови лъчи и в резултат на дълга упорита работа установил, че структурата им е двойна спирала. Така че за първи път беше възможно да си представим структурата на основния компонент на човешкия живот.

Отваряне в сенките

Франклин не публикува веднага резултатите от своето изследване. Тя искаше първо да получи потвърждение на наблюденията си от колеги. През 1953 г. Морис Уилкинс, лидерът на Франклин, без нейно знание, предава представените му резултати на своя сътрудник Крик и биохимика Уотсън. По това време тези учени вече знаеха химическия състав на ДНК: захар, дезоксирибоза, фосфат и азот-съдържащи основи аденин, цитозин, гуанин и тимин и веднага оцениха значението на данните на Франклин.

Нобеловата награда не се присъжда посмъртно

Крик и Уотсън, като направиха някои допълнения и промени в произведението, го публикуваха под собствени имена... Известната статия „Молекулярна структура на кисти на нуклеинова киселина: структурата на дезоксирибонуклеиновата киселина“, която се появи в списание „Nature“ през 1954 г., предизвика бурен ентусиазъм на научния свят. Уотсън и Крик създадоха логически неуязвим модел, който стана основа за по-нататъшни изследвания. Междувременно Розалинд Франклин почина през 1958 г. от рак на 37-годишна възраст. Нобеловата награда по медицина за откриването на структурата на ДНК е присъдена през 1962 г. на Крик, Уотсън и Уилкинс.

• 1865: Грегор Йохан Медел установява законите за наследяване на генетичните принципи.
• 1970: Хамилтън О. Смит и Даниел Нейтън положиха основите на генното инженерство.
• 1973 г.: В Съединените щати за първи път е създадена генетично модифицирана бактерия.
• 1976: Индийският биофизик Хар Гобинд от Корана синтезира гена за първи път.