Kdo objevil strukturu DNA. Vynálezy a objevy

Člověk pronikající stále hlouběji do tajů vesmíru se snažil odpovědět na jednu z hlavních otázek, které si kladli staří mudrci: co je život, co je člověk sám? Záhada zrození živých organismů zajímala vědce ne méně než struktura hvězd. Objevy v oblasti biologie, učiněné v XX století, přivedly lidstvo k novým hranicím a načrtly skutečně fantastické vyhlídky. Molekulární biologie je stále jednou z nejslibnějších věd naší doby.

Po rozvinutí teorie evoluce živých organismů Darwin nedokázal odpovědět na otázku, jak jsou změny ve struktuře a funkcích živých organismů, které vznikly v procesu této evoluce, fixovány u potomků. Když se však jeho kniha právě vyprodávala, Gregor Mendel už své experimenty rozjel v České republice. Jeho závěry položily základ pro rozvoj vědy o dědičnosti – genetiky, která byla předurčena k vysvětlení nejdůležitějších záhad vesmíru. Pomocí hrachového modelu Mendel jako první prokázal existenci speciálních „dědičných faktorů“ (později nazývaných „geny“), přenášených z jedné generace na druhou, přičemž nesou určité rysy. Samotný přenosový mechanismus však vědci dlouho neznali.

V Německu přitom působil zoolog August Weismann, který vyslovil a dokázal správnost názoru, že přenos rodičovských vlastností na potomstvo závisí na přímém přenosu nějaké hmotné látky rodiči, což bylo podle Weismanna obsažené v chromozomech – organelách buňky. Nejdůležitější výzkum pro vývoj genetiky následně provedl Američan Thomas Morgan. Po mnoha experimentech na ovocných muškách dospěl se svými kolegy k závěrům o materiálních základech dědičnosti, lineární lokalizaci genů v chromozomech, vzorcích jejich mutační variability, cytogenetickém mechanismu jejich dědičného přenosu atd. je možné dokončit základní principy teorie chromozomů dědičnost.

V roce 1869 biochemik Mischer izoloval z buněčných jader dosud neznámou látku s vlastnostmi slabá kyselina... Později chemik Levin zjistil, že složení této kyseliny zahrnuje sacharid deoxyribózu, a proto dostala název deoxyribonukleová kyselina (DNA). V roce 1920 tentýž Levin identifikoval v DNA čtyři dusíkaté báze: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) a thymidin (T). Tedy již ve 20. letech XX. vědci věděli, z čeho se skládá DNA. Tuto informaci podstatně doplnil v roce 1950 biochemik Chargaf, který zjistil, že v molekule DNA se množství A rovná množství T a množství G se rovná množství C.

Nicméně pokud jde o roli DNA při ukládání a přenosu dědičné informace, pak se o tom dlouho jen dohady. V roce 1944 mikrobiologové Avery, McCarthy a McLeod poprvé přenesli určité vlastnosti z jednoho mikroba na druhého pomocí DNA.

A 28. února 1953 dva mladí vědci z Cambridgeské univerzity, James Watson a Francis Crick, oznámili svůj objev struktury molekuly DNA. Zjistili, že tato molekula je spirála sestávající ze dvou řetězců. Každý řetězec, který má fosfát-cukerný základ, obsahuje dusíkaté zásady. Vodíkové vazby mezi A a T na jedné straně a G a C na straně druhé určují stabilitu dvoušroubovicové struktury. Watson a Crick zjistili, že sekvence dusíkatých bází ve struktuře dvouvláknové DNA je „kód“ genetické informace, který se přenáší při kopírování (zdvojování) molekuly. Když se oddělí dvě vlákna DNA, mohou se k nim připojit nové nukleotidy a v blízkosti každého ze starých vláken se vytvoří nový, přesně tomu odpovídající (protože jediná možná kombinace nukleotidů A - T, G - C).

Článek Watsona a Cricka s názvem „The Molecular Structure of Nucleic Acids“ byl publikován 25. dubna 1953 v časopise Nature. Ve stejném čísle vyšel článek londýnských vědců R. Franklina a M. Wilkinse, který popisoval výsledky rentgenové studie molekuly DNA, která ukázala, že tato molekula je skutečně dvojitou šroubovicí.

Objev Watsona a Cricka uznal téměř celý svět (pozdě se opozdil pouze SSSR, kde byla zničena genetika díky úsilí akademika Lysenka). Již v roce 1961 američtí biologové Nirenberg a Ochoa zjistili, že jednotlivé oblasti DNA kódují, tedy určují strukturu zcela specifických proteinových struktur („tři sousední nukleotidy kódují jednu konkrétní aminokyselinu“). Tito vědci identifikovali kodony odpovídající každé z 20 aminokyselin.

Objev Watsona a Cricka přirozeně poskytl pouze základ pro další výzkum, ale bez tohoto základu by se genetika pravděpodobně nemohla dále rozvíjet. V roce 1962 oba vědci obdrželi Nobelovu cenu.

V první polovině 70. let byly poprvé získány hybridní molekuly DNA (“DNA-DNA”), schopné pronikat do buněk různého původu a stimulovat tam syntézu proteinů pro tyto buňky neobvyklých. Byl to zrod nové disciplíny, genetického inženýrství, která byla okamžitě převedena pod vládní kontrolu kvůli jejímu potenciálnímu využití k výrobě biologických zbraní. V roce 1977 byla vyvinuta první verze „strojové“ metody pro určování nukleotidových sekvencí v molekule DNA, která prudce zvýšila počet odhalených („přečtených“) genomových oblastí a celých genů. V roce 1982 byl přijat první terapeutický prostředek nové generace - geneticky upravený inzulín. Je produkován bakteriálními buňkami, do kterých je vložena DNA, která kóduje strukturu proteinu inzulínu. V roce 1983 byla vyvinuta metoda zvýšení počtu molekul DNA pomocí enzymu polymerázy a v roce 1985 byla vyvinuta metoda individuálního molekulárního „fingerprintingu“ (tedy jakési „otisky prstů“) každého původního vzorku DNA. To umožnilo porovnat různé vzorky DNA mezi sebou a určit jejich identitu nebo naopak nepodobnost. Tyto metody se okamžitě začaly uplatňovat v soudním lékařství k identifikaci biologických „stop zločinu“, jakož i ke stanovení otcovství. Nová technologie genetického inženýrství pro výrobu určitých potravinářských produktů se rozšiřuje. V roce 2000 byl lidský genom téměř kompletně dekódován. Věda se přiblížila možnosti předem určit fenotyp, schopnost, patologii člověka, který se teprve narodí. A nejen definovat, ale také opravit, nahradit „nemocné geny“ těmi „zdravými“.

Z historie objevu struktury DNA

V roce 1910 vyšlo najevo, že geny jsou umístěny na chromozomech. Nebylo ale jasné, zda jsou geny tvořeny proteinem nebo nukleovou kyselinou.

V roce 1928 začal F. Griffith studovat roli nukleové kyseliny v buněčném životě v experimentech na pneumokocích.

Existují dva typy pneumokoků. V jednom je pár bakteriálních buněk obklopen pouzdrem. Druhý typ buněk je bez pouzdra. Pouzdro chrání mikroby před fagocytózou. Pokud takové myši představíte, zemřou. Pneumokok bez kapsle neinfikuje myši a nezpůsobuje zápal plic.

Zkušenost. Myši byly infikovány směsí buněk z živých pneumokoků bez kapslí a mrtvých pneumokoků s kapslemi.

Očekávalo se, že myši zůstanou zdravé. Ale zemřeli na zápal plic. Živé bakterie izolované z myší měly kapsle. To je fenomén buněčné transformace.

Zkušenost. Mikrobiologové navrhli, že některá látka z mrtvých pneumokoků může donutit živé buňky k vytvoření kapslí. Ukázali to v experimentech.

Pneumokoky s kapslemi zabili, roztloukli a z těchto zničených buněk připravili roztok - to je extrakt. Do kultivačního média byl přidán extrakt z mrtvých buněk s kapslemi, poté byly do tohoto média přidány živé pneumokoky bez kapslí.

Výsledek: některé buňky bez pouzdra byly transformovány na buňky s pouzdry; jejich potomci také vlastnili tobolky a při podání myším způsobili zápal plic.

Ukázalo se, že buňky bez kapslí prošly změnou - začaly vlastnit kapsle a způsobily zápal plic. Je důležité, že jejich potomci také vytvořili tobolky a způsobili zápal plic.

Závěr: 1) příznaky pneumokoků se změnily, 2) je to pravděpodobnější tím, že některá složka extraktu nebo se stala součástí pneumokoka.

V pokusech F. Griffitha pokračovali američtí vědci - mikrobiolog

Z. Avery (1877-1955) a jeho spolupracovníci.

Kladli si otázku: jaká látka způsobuje přeměnu jednoho kmene pneumokoka na jiný? K tomu zopakovali pokusy F. Griffitha, přičemž místo mikrobů použili extrakt z nich.

Při pokusech s pneumokoky si extrakt zachoval svou transformační aktivitu při destrukci proteinů a RNA v něm, ale ztratil ji při destrukci DNA.

Závěr: DNA je transformující látka. Odtud se z DNA staví geny.

Transformace spočívá v přenosu genů z mrtvých pneumokoků na živé a jejich zavedení do hostitelského chromozomu, tzn. u pneumokoků bez kapslí.

Role DNA v buňce byla doplněna životem virů obsahujících DNA. Infikují bakteriální buňky, aby v nich provedly reprodukční cyklus.

Současně byla objevena schopnost DNA viru syntetizovat jeho kopie a proteiny.

Ze všeho vyplývá, že DNA řídí život buněk, které ji obsahují, a je schopna syntetizovat kopie svých molekul. Tento proces se nazývá „sebe-zdvojení“ nebo reprodukce. DNA je jediná molekula v přírodě, kterou lze zkopírovat.

Příspěvek akad. N.K. Koltsová

V roce 1927 náš vědec - akad. N.K. Koltsov (1872-1940) napsal, že "jedna neuvěřitelně dlouhá molekula se vejde do jednoho chromozomu a podél ní jsou oddělené skupiny atomů - geny".

Poprvé také řekl, že „při buněčném dělení se takové molekuly nevytvářejí nově z oddělených kousků, ale nejprve na sobě vytvoří přesné kopie a poté se původní molekula a kopie rozptýlí spolu s dceřinými chromozomy do nově vytvořených buňky." Toto je matricový princip replikace genů a poté chromozomů předtím, než se buňka rozdělí na dvě části.

Jak dochází k duplikaci DNA před dělením buněk, bylo pro biology po desetiletí záhadou. Vědci se domnívali, že abyste tomu porozuměli, musíte znát: 1) strukturu DNA a 2) způsoby, jakými jsou nukleotidy uspořádány v molekule.

V roce 1950 bylo známo, že DNA je molekula, která se skládá z tisíců molekul spojených navzájem do řady po čtyřech. odlišné typy- nukleotidy.

E. Chargaff (1950) ukázal, že v jakékoli DNA se množství adeninu rovná množství thyminu (A = T) a množství guaninu se rovná množství cytosinu (G = C). To naznačuje, že jsou v molekule DNA v párech: AT; G-C.

R. Fraklin (1920-1958) v laboratoři M. Wilkinse metodou rentgenové krystalografie získal „dnes slavný obraz obrazu struktury DNA“.

Z těchto poznatků však nebylo jasné: jak tato molekula funguje nebo jak vypadá? Nikdo nevěděl, jak jsou chemické jednotky - A, T, G, C - uspořádány, aby nesly informace o plánu stavby a rozmnožování živých tvorů.

model molekuly DNA

D. Watson a F. Crick se pustili do vytvoření modelu molekuly DNA, jako L. Pauling - aby studovali prostorovou strukturu proteinu. Pomohlo by to pochopit detaily struktury a možných funkcí DNA.

Po provedení výpočtů strávili 18 měsíců vytvářením modelu a vytvářením modelu DNA. Nebyli si ale jisti, zda je tento model správný.

Vedoucí R. Franklina - M. Wilkins umožnil D. Watsonovi seznámit se s rentgenovým obrazem molekuly DNA, aniž by R. Franklinovi cokoli řekl. Když D. Watson viděl obraz, který obdržel R. Franklin, pochopil: "on a F. Creek se nemýlili." Na tomto obrázku to jasně viděli znamení spirály a šel rovnou do laboratoře zkontrolovat „vše na objemovém modelu“.

Kvůli nedostatku desek D. Watson vystřihl z kartonu čtyři typy rozložení nukleotidů: adenin (A), thymin (T), guanin (G) a cytosin (C) a začal je vyskládat na stůl.

Okamžitě zjistil, že adenin se spojuje s thyminem a guanin s cytosinem na principu klíč-zámek a tvoří páry. Takto jsou dva řetězce molekuly DNA drženy pohromadě.

Sekvence těchto párů v molekule se může nekonečně lišit. Ten slouží jako šifra nebo kód, kterým se zašifruje informace, která určuje typ proteinu syntetizovaného danou buňkou (obr. 1).

Rýže. 1.

Základny jsou spojeny Vodíkové vazby.

Molekula DNA má dvě funkce: 1) předávat informace potomkům, tzn. dceřiné buňky a 2) implementovat informace uvnitř buňky.

Ze struktury dvoušroubovice je hned vidět přímý důsledek - replikace, tzn. reprodukce DNA. Metoda: divergence dvou komplementárních řetězců a konstrukce nového komplementárního řetězce pro každý z nich. Takže z jedné molekuly DNA se vytvoří dvě, což je nutné pro buněčné dělení na dvě. Chyby replikace, tzn. mutace jsou důvodem přeměny normální buňky na defektní (obr. 2 a 3).

Byl tedy prokázán matricový princip replikace DNA před dělením.

Buňky, které předpověděl velký vědec, akad. N.K. Koltsov. Dvě části molekuly jsou od sebe odděleny, pro každou z nich se syntetizuje nová polovina molekuly. Pořadí bází je v roli matrice nebo templátu pro prodloužení molekul.

DNA – úložiště genetické informace

Informace o syntéze každého typu proteinu je uložena v DNA ve formě určité lineární sekvence bází.

V roce 1961 F. Crick dokázal, že každá skupina tří bází tvoří kodon. Jeden kodon kóduje jednu aminokyselinu z 20 hlavních aminokyselin.

Pro přenos informací o struktuře proteinu z buněčného jádra je zde mRNA. Je to kopie z fragmentu řetězce DNA kódujícího templátu. Místo thyminu obsahuje uracil.

Protein, poslední článek v implementaci genetické informace, bude syntetizován z mRNA v ribozomu pomocí transportní RNA. Protože DNA slouží jako úložiště genetické informace, nazývá se molekula života.

Než D. Watson a F. Crick začali pracovat na struktuře DNA, bylo již mnoho známo.

R. Franklin v roce 1951 poprvé obdržel první unikátní rentgenový snímek molekuly DNA, kde je vidět, že tato molekula má tvar dvojité šroubovice, velmi podobné točitému schodišti. Její fotografie sehrály rozhodující roli při objevu D. Watsona a F. Cricka. Na znamení toho je R. Franklin nazýván „průkopníkem“ molekulární biologie.

D. Watsonovi, F. Crickovi a M. Wilkinsovi byla v roce 1962 udělena Nobelova cena za objev struktury DNA a jejích funkcí. R. Franklin zemřel. Zemřela na rakovinu v roce 1958.

Revoluce ve světě vědy

Objev prostorové struktury DNA se stal základem pro řadu nových objevů.

V 60. letech. XX století byl potvrzen mechanismus replikace DNA, byl objeven enzym DNA polymeráza, která tento proces katalyzuje.

Genetický kód je otevřený, tzn. kód, kterým se v buňce syntetizují proteiny.

V 70. letech. XX století byly vytvořeny další dvě metody: sekvenování a produkce rekombinantní DNA.

Příprava rekombinantní DNA nebo metoda molekulárního klonování. Podstatou této metody je, že fragment obsahující specifický gen je vložen do molekuly DNA.

Zavedou ho například do bakterie a ta syntetizuje svůj produkt – protein, který člověk potřebuje.

V 80. letech. XX století vyvinutá polymeráza řetězová reakce(PCR). Tato technologie je nezbytná pro rychlé „namnožení“ požadovaného fragmentu DNA.

Pomocí PCR je možné provést včasnou diagnostiku bakteriálních a virových infekcí a také prvních rakovinných buněk v těle pacienta jejich markerovými geny.

Například fragmenty markerových genů rakovinných buněk lze nalézt v krevní plazmě pacienta. Pokud je fragment v malém množství nebo pouze, je expandován pomocí PCR a poté snadno identifikován.

Objev struktury DNA umožnil vědcům rozluštit genom lidí a mnoha dalších organismů. Tento objev umožnil přejít na genovou terapii u jakékoli nemoci, včetně rakoviny.

Rakovinná buňka „je špatně rozpoznána imunitním systémem pacienta, protože pochází z normální buňky hostitelského organismu."

Proto, aby bylo možné zničit rakovinné buňky pomocí genové terapie, musí být rakovinné buňky nejprve „odcizeny“ imunitnímu systému.

Existuje mnoho způsobů, jak to udělat. Z materiálu biopsie rakoviny je možné izolovat rakovinné buňky, zavést do nich „cizí“ gen a následně tyto rakovinné buňky zavést zpět do těla pacienta. V tomto případě imunitní systém proteinem tohoto genu rozpozná rakovinné buňky jako "cizí" a zničí je.

Při pokusech na zvířatech přinesla tato metoda ovlivnění DNA rakovinných buněk povzbudivé pozitivní výsledky. Ale pro léčbu pacientů s rakovinou je podobná metoda stále ve fázi klinických studií.

(E.D.Sverdlov, 2003).

Směrem k éře "živé technologie"

A docela neobvyklé – začátek nové éry „živých technologií“. Vědci z řady zemí prohlašují, že jsou téměř připraveni vytvořit „umělý život“, tzn. abiogeneze.

Dokud neexistuje jediná definice živého, vyznačuje se třemi charakteristikami; 1) přítomnost nádoby, tzn. membrána obsahující obsah buňky;

2) metabolismus – schopnost přeměny zákl živin do pracovních mechanismů buňky; 3) přítomnost genů – chemických struktur nezbytných pro stavbu buňky, které mohou být předány potomkům a změněny spolu se změnami prostředí.

Každý z těchto tří prvků byl již v laboratořích reprodukován, vědci jsou připraveni začít zkoušet toto vše spojit „do jednoho pracovního celku“, tzn. klec.

Pokud bude úspěšný, bude to „svět ultra malých živých strojů: speciální buňky budou léčit lidské tělo a bojovat proti škodlivinám životní prostředí látky“.

Vědci považují za bezprostřední úkol vědy vytvořit „umělou buňku“ schopnou sebereprodukce a produkovat unikátní chemické substance, včetně léků, které dosud nebyly syntetizovány.

„Umělé živé věci“ budou zcela pod kontrolou člověka, například ho budou „krmit“ prvky, které se v přírodě v čisté formě nenacházejí.

Syntéza virů a počátek syntézy buněk

1. Prof. E. Wimmer a jeho skupina z New Yorku v roce 2002 poprvé od zrodu „žití“ na Zemi vytvořili virus dětské obrny z neživé hmoty.

Vědci argumentují: jsou viry živé bytosti nebo neživé předměty?

MYSL. Stanley, laureát Nobelovy ceny, věří, že „v buňce se virus chová jako živá bytost a mimo buňku je mrtvý jako kámen“.

G. Nadson, náš mikrobiolog, říká: "Virus je buď látka s vlastnostmi bytosti, nebo bytost s vlastnostmi látky."

Akad. V.A. Engelhardt, náš vědec, napsal: „Mnoho virů se skládá pouze z bílkovin a nukleové kyseliny. Mohou být klasifikovány jako chemické sloučeniny - nukleoproteiny."

Genom viru dětské obrny byl zcela rozluštěn. Na tomto základě vědci shromáždili přesnou sekvenci nukleotidů odpovídající přirozenému vzorku.

Tento genetický materiál byl umístěn do roztoku podobného cytoplazmě. V něm byly podle informací obsažených v DNA syntetizovány potřebné proteiny.

Prof. E. Wimmer uvádí, že jakmile byly všechny genetické komponenty umístěny do zkumavky, virus se okamžitě „shromáždil“. Jinými slovy,

"Život, nebo alespoň jeho zdání, začal o půl otáčky."

Vytvořený virus vypadal stejně jako jeho přirozený vzorek. Aby vědci dokázali aktivitu viru, infikovali jím myši. Zvířata zemřela s klasickými příznaky dětské obrny.

Pro sestavení genomu viru poliomyelitidy prof. E. Wimmerovi to trvalo tři roky.

Ve stejné laboratoři J. Craig Venter syntetizoval virus za 14 dní.

2. Syntéza umělého viru phi-X174. Je to bakteriofág, který existuje v přírodě a je bezpečný pro lidi i zvířata.

K. Venter a jeho skupina vzali několik sekcí DNA a spojili je, čímž vytvořili kompletní genom viru obsahující jedenáct genů. Tato směs byla umístěna do zkumavky, kde se nezávisle sestavila do genetického řetězce identického s genomem phi-X174. Poté byl sestavený genom implantován do živé buňky, která začala vytvářet kopie viru.

3. Američtí vědci vytvoří v přírodě neznámou formu života. Vědci z laboratoře v Rockville oznámili záměr tvořit s pomocí genetického inženýrství nový formulářživot - 21.11.2002.

Cílem projektu je studium základních mechanismů vzniku a vývoje organického života. Hlavními přispěvateli jsou genetik K. Venter a laureát Nobelovy ceny H. Smith.

Cílem experimentu je vytvořit jednu buňku, která je základem pro vznik organismu s minimální sadou genů pro podporu života.

Pokud experiment uspěje, vyrostlá buňka poroste a rozdělí se, čímž vznikne celá buněčná struktura, která v přírodě neexistuje. Bude to „minimalistický“ organismus.

Na konci devadesátých let XX století. K. Venter - v té době šéf Institutu pro výzkum genomu v Rockville (USA), - zveřejnil seznam genů nezbytných pro existenci jednobuněčný organismus, - mykoplazma. Podle jeho výpočtů si tento obyvatel lidského reprodukčního traktu vystačí s 300 z jeho 517 genů, které v tomto mikrobu tvoří jeden chromozom.

Projekt je založen na stejných bakteriích po dobu 3 let. Vědci hodlají z její buňky vytěžit veškerý genetický materiál, z jejích „kousků“ pak sestavit umělý genový řetězec, tzn. chromozóm. Bude zahrnovat pouze ty bakteriální geny, které jsou „naprosto nezbytné“ pro podporu života nového organismu. V konečné fázi bude sestavený genový řetězec začleněn do buňky bez genetického materiálu.

Pak „se stane to nejzajímavější, k čemu je experiment určen“ – oživení bakterií. Následovat budou další pozorování takového polopřirozeného organismu: jak žije a rozmnožuje se.

"Zajímá nás: je možné dospět k molekulární definici života a naším hlavním cílem je základní pochopení složek nejelementárnější živé buňky."

Aby se zabránilo vytvoření patogenního agens, K. Venter a H. Smith zbaví nové „mykoplazma“ genů odpovědných za jeho připojení k buňkám v lidském těle, poté těch genů, které mu umožňují přežít v nepříznivých podmínkách. Výsledkem bude „spíše křehká bytost, absolutně závislá na svých tvůrcích“.

Úkolem výzkumu je také naučit se uměle vytvářet různé geny. „Toto je skutečně základní věda,“ říká K. Venter. - Dokonce

Navzdory tomu, že jsme našli všechny geny v lidském genomu, stále jsme nebyli schopni pochopit tajemství nejjednodušší buňky. To je to, co teď chceme dělat."

K. Venter a H. Smith a jejich skupiny mají také další možnost, jak vytvořit živou buňku: uměle v laboratoři syntetizovat tyto základní geny, sestavit je do řetězce a poté je zavést do stejné bakterie, ze které se pak veškerá její genetická materiál bude předběžně smazán

Co si dává K. Venter do svého úkolu – podat „molekulární definici života“?

Každá buňka se skládá z molekul, stejně jako tělo jako celek. Jejich struktura a složení, stejně jako jejich interakce, jsou zakotveny v genech. Během evoluce je každá molekula přizpůsobena tak, aby vyhovovala její funkci v buňce. Buňka není chaotická akumulace molekul, ale „jejich pořadí“, tj. organizace, protože je postavena geny prostřednictvím produktů - proteinů. Zničte ji, pak ačkoli tyto molekuly buňky zůstanou ve formě směsi, bude již mrtvá, protože byla zničena. molekulární organizace buňky. A vznikla v procesu evoluce „živých“.

Odtud: K. Venter se snaží s minimem genů získat takovou organizaci neživých molekul, které se promění v „živé“. To bude abiogeneze.

MOSKVA, 25. dubna – RIA Novosti, Taťána Pichugina. Přesně před 65 lety publikovali britští vědci James Watson a Francis Crick článek o rozluštění struktury DNA, který položil základy nové vědě – molekulární biologii. Tento objev hodně změnil v životě lidstva. RIA Novosti hovoří o vlastnostech molekuly DNA a o tom, proč je tak důležitá.

Ve druhé polovině 19. století byla biologie velmi mladou vědou. Vědci teprve začínali studovat buňku a koncept dědičnosti, ačkoli byl formulován již Gregorem Mendelem, nezískal široké přijetí.

Na jaře roku 1868 přišel na univerzitu v Tübingenu (Německo) mladý švýcarský lékař Friedrich Miescher studovat vědecká práce... Měl v úmyslu zjistit, z jakých látek se buňka skládá. Pro pokusy jsem zvolil leukocyty, které lze snadno získat z hnisu.

Oddělením jádra od protoplazmy, bílkovin a tuků Misher objevil sloučeninu s vysokým obsahem fosforu. Tuto molekulu nazval nuklein ("nucleus" v latině je jádro).

Tato sloučenina vykazovala kyselé vlastnosti, takže termín „ nukleová kyselina". Jeho předpona" deoxyribo "znamená, že molekula obsahuje H-skupiny a cukry. Pak se ukázalo, že to byla ve skutečnosti sůl, ale název se nezměnil.

Na začátku 20. století již vědci věděli, že nuklein je polymer (tedy velmi dlouhá flexibilní molekula opakujících se jednotek), jednotky jsou složeny ze čtyř dusíkatých bází (adenin, thymin, guanin a cytosin) a nuklein je obsažena v chromozomech – kompaktních strukturách, které vznikají v dělících se buňkách. Jejich schopnost přenášet dědičné znaky prokázal americký genetik Thomas Morgan při pokusech na ovocných muškách.

Model vysvětlující geny

Co ale deoxyribonukleová kyselina, zkráceně DNA, dělá v buněčném jádře, nebylo dlouho pochopeno. Předpokládalo se, že hraje nějakou strukturální roli v chromozomech. Proteinové povaze byly přisuzovány jednotky dědičnosti – geny. O průlom se postaral americký badatel Oswald Avery, který experimentálně dokázal, že genetický materiál se z bakterií na bakterie přenáší prostřednictvím DNA.

Bylo jasné, že je třeba studovat DNA. Ale jak? V té době měli vědci k dispozici pouze rentgenové záření. Aby skrze ně prosvítaly biologické molekuly, musely krystalizovat, a to je obtížné. Dešifrování struktury proteinových molekul pomocí rentgenových difrakčních obrazců bylo provedeno v Cavendish Laboratory (Cambridge, Velká Británie). Mladí výzkumníci James Watson a Francis Crick, kteří tam pracovali, neměli svá vlastní experimentální data o DNA, takže použili rentgenové snímky kolegů z King's College Maurice Wilkinse a Rosalind Franklinové.

Watson a Crick navrhli model struktury DNA, který přesně odpovídá vzorům rentgenové difrakce: dvě paralelní vlákna jsou stočena do pravostranné šroubovice. Každý řetězec je složen libovolnou sadou dusíkatých bází, navlečených na páteři jejich cukrů a fosfátů a držených pohromadě vodíkovými vazbami nataženými mezi bázemi. Adenin se navíc kombinuje pouze s thyminem a guanin - s cytosinem. Toto pravidlo se nazývá princip komplementarity.

Watsonův a Crickův model vysvětlil čtyři hlavní funkce DNA: replikaci genetického materiálu, jeho specifičnost, ukládání informace v molekule a její schopnost mutovat.

Vědci svůj objev zveřejnili v časopise Nature 25. dubna 1953. O deset let později mu byla spolu s Mauricem Wilkinsem udělena Nobelova cena za biologii (Rosalind Franklinová zemřela v roce 1958 na rakovinu ve věku 37 let).

"Nyní, o více než půl století později, můžeme konstatovat, že objev struktury DNA sehrál ve vývoji biologie stejnou roli jako objev atomového jádra ve fyzice. Objasnění struktury atomu vedlo k zrození nové, kvantové fyziky a objev struktury DNA vedly ke zrodu nové, molekulární biologie, “- píše Maxim Frank-Kamenetsky, vynikající genetik, výzkumník DNA, autor knihy. Nejdůležitější molekula“.

Genetický kód

Teď už zbývalo jen zjistit, jak tato molekula funguje. Bylo známo, že DNA obsahuje instrukce pro syntézu buněčných proteinů, které vykonávají veškerou práci v buňce. Proteiny jsou polymery složené z opakujících se sad (sekvencí) aminokyselin. Navíc existuje pouze dvacet aminokyselin. Živočišné druhy se od sebe liší souborem bílkovin v buňkách, tedy rozdílným pořadím aminokyselin. Genetika tvrdila, že tyto sekvence jsou dány geny, o kterých se tehdy věřilo, že slouží jako první stavební kameny života. Ale co to byly geny, nikdo přesně nevěděl.

Jasnost zavedl autor teorie Velký třesk fyzik Georgy Gamov, zaměstnanec Univerzity George Washingtona (USA). Na základě modelu dvouvláknové šroubovice DNA od Watsona a Cricka navrhl, že gen je kus DNA, tedy určitá sekvence vazeb – nukleotidů. Protože každý nukleotid je jednou ze čtyř dusíkatých bází, stačí přijít na to, jak čtyři prvky kódují dvacet. To byla myšlenka za genetickým kódem.

Počátkem 60. let bylo zjištěno, že proteiny jsou syntetizovány z aminokyselin v ribozomech – jakési „továrny“ uvnitř buňky. K zahájení syntézy proteinů se enzym přiblíží k DNA, rozpozná specifické místo na začátku genu, syntetizuje kopii genu ve formě malé RNA (nazývané templátová RNA), poté se z aminokyselin vypěstuje protein. v ribozomu.

Zjistili také, že genetický kód je třípísmenný. To znamená, že tři nukleotidy odpovídají jedné aminokyselině. Jednotka kódu se nazývala kodon. V ribozomu jsou informace z mRNA čteny kodon po kodonu, postupně. A každá z nich odpovídá několika aminokyselinám. Jak vypadá šifra?

Na tuto otázku odpověděli Marshall Nirenberg a Heinrich Mattei z USA. V roce 1961 své výsledky poprvé prezentovali na biochemickém kongresu v Moskvě. V roce 1967 byl genetický kód zcela rozluštěn. Ukázalo se, že je univerzální pro všechny buňky všech organismů, což mělo pro vědu dalekosáhlé důsledky.

Objev struktury DNA a genetického kódu se zcela přeorientoval biologický výzkum... Skutečnost, že každý jedinec má jedinečnou sekvenci DNA, zásadně změnila forenzní vědu. Rozluštění lidského genomu dalo antropologům zcela novou metodu studia evoluce našeho druhu. Nedávno vynalezený editor DNA CRISPR-Cas posunul genetické inženýrství hodně kupředu. Tato molekula zjevně uchovává řešení nejpalčivějších problémů lidstva: rakoviny, genetická onemocnění, stárnutí.

V. Ivanov, doktor fyzikálních a matematických věd

Před šedesáti lety se podařila úžasná věc vědecký objev... 25. dubna 1953 vyšel článek o tom, jak funguje nejzáhadnější molekula, molekula deoxyribonukleové kyseliny. Zkráceně se tomu říká DNA. Tato molekula se nachází ve všech živých buňkách všech živých organismů. Vědci ji objevili před více než sto lety. Tehdy ale nikdo nevěděl, jak je tato molekula uspořádána a jakou roli hraje v životě živých bytostí.
Anglickému fyzikovi Francisi Crickovi a americkému biologovi Jamesi Watsonovi se nakonec podařilo záhadu rozluštit. Jejich objev byl velmi důležitý. A nejen pro biology, kteří konečně poznali, jak funguje molekula, která řídí všechny vlastnosti živého organismu. Jeden z největších objevů lidstva byl učiněn tak, že se absolutně nedá říci, ke které vědě tento objev patří - tak těsně se v něm snoubila chemie, fyzika a biologie. Tato fúze věd je nejvýraznějším rysem Crickova a Watsonova objevu.

JEDNA MOLEKULA, NA KTEROU SE MŮŽETE PODÍVAT JINAK

Vědci se již dlouho zajímají o tajemství hlavní vlastnosti všech živých organismů - rozmnožování. Proč jsou děti – ať už mluvíme o lidech, medvědech, virech – jako jejich rodiče a prarodiče? Aby biologové odhalili tajemství, studovali různé organismy.
A vědci zjistili, že za podobnost dětí a rodičů mohou speciální částice živé buňky – chromozomy. Vypadají jako malé tyčinky. Malé části tyčového chromozomu se nazývaly geny. Existuje mnoho genů a každý je zodpovědný za nějaké znamení budoucího organismu. Pokud mluvíme o člověku, pak jeden gen určuje barvu očí, druhý určuje tvar nosu... Ale z čeho se gen skládá a jak funguje, vědci nevěděli. Pravda, to už se vědělo: chromozomy obsahují DNA a DNA má něco společného s geny.
Různí vědci chtěli vyřešit tajemství genu: každý se na toto tajemství podíval z hlediska své vlastní vědy. Abychom ale zjistili, jak funguje gen, malá částice DNA, bylo nutné zjistit, jak je uspořádána samotná molekula a z čeho se skládá.
Chemici, kteří zkoumají chemické složení látek, studoval chemické složení molekuly DNA. Fyzici začali skenovat DNA rentgenovými paprsky, způsobem, jakým obvykle skenují krystaly, aby zjistili, jak tyto krystaly fungují. A zjistili, že DNA je jako spirála.
Biology samozřejmě nejvíce zajímala genová záhada. A Watson se rozhodl řešit problém genu. Aby se poučil od pokročilých biochemiků a dozvěděl se více o povaze genu, cestoval z Ameriky do Evropy.
V té době se Watson a Crick ještě neznali. Watson, který nějakou dobu pracoval v Evropě, neudělal žádný významný pokrok v objasnění povahy genu.
Ale na jednom z vědeckých konferencích dozvěděl se, že fyzici studují strukturu molekuly DNA pomocí svých vlastních fyzikálních metod. Když se to Watson dozvěděl, uvědomil si, že mu fyzici pomohou odhalit tajemství genu, a odjel do Anglie, kde dostal práci ve fyzikální laboratoři, ve které se studovaly biologické molekuly. Zde se setkali Watson a Crick.

JAK SE FYZIK POHÁČEK ZAJÍMAVAL O BIOLOGIE

Crick se o biologii nezajímal. Dokud nenarazil na knihu slavného fyzika Schrödingera "Co je život z pohledu fyziky?"
V této knize autor navrhl, že chromozom je jako krystal. Schrödinger si všiml, že „reprodukce“ genů připomíná růst krystalu, a navrhl, aby vědci považovali gen za krystal. Crick a další fyzikové se o tento návrh zajímali. Proto.
Krystal je strukturou velmi jednoduché fyzické tělo: neustále se v něm opakuje stejná skupina atomů. A zařízení genu bylo považováno za velmi složité, protože jich je tolik a všechny jsou jiné. Pokud se geny skládají z látky DNA a molekula DNA je strukturována stejným způsobem jako krystal, pak se ukazuje: je složitá i jednoduchá. Jak to? Watson a Crick pochopili, že fyzici a biologové vědí o molekule DNA příliš málo. Pravda, chemici o DNA něco věděli.

JAK WATSON POMÁHAL CHEMIKŮM A CHEMIKŮM KŘIČIT

Chemici věděli, že v molekule DNA jsou čtyři chemické sloučeniny: adenin, thymin, guanin a cytosin. Byly označeny prvními písmeny - A, T, G, C. Adeninu bylo tolik jako thyminu a guaninu - jako cytosinu. Proč? Chemici to nemohli pochopit.
Hádali: mělo to něco společného se strukturou molekuly. Ale nevěděli jak. Chemikům pomohl biolog Watson.
Watson je zvyklý, že v živé přírodě se mnoho věcí nachází ve dvojicích: pár očí, pár rukou, pár nohou, existují například dvě pohlaví: mužské a ženské ... Zdálo se k němu, že molekula DNA by se také mohla skládat ze dvou řetězců. Ale pokud je DNA jako spirála, jak fyzici zjistili pomocí rentgenového záření, jak pak v této spirále oba řetězce drží u sebe? Watson navrhl, že pomocí A, G, C a T, které jsou stejně jako ruce nataženy k sobě. Vyříznutí obrysů těchto chemické sloučeniny Watson je aplikoval dlouhou dobu tak a tak, až najednou viděl: adenin se dokonale snoubí s thyminem a guanin s cytosinem.
Watson o tom řekl Creekovi. Rychle přišel na to, jak by měla dvoušroubovice vypadat ve skutečnosti – v prostoru, ne na kresbě.
Oba vědci začali budovat model DNA.
Jak se „staví“? Takhle. Z molekulární stavebnice, která připomíná dětskou stavebnici. V molekulárním konstruktoru jsou detaily kuličky-atomy, které jsou k sobě připevněny tlačítky v pořadí, v jakém jsou atomy umístěny v látce.
Molekulární designér vynalezl jiný vědec – chemik Pauling. Sestavil modely proteinových molekul a zjistil, že musí obsahovat oblasti, které vypadají jako spirály. Velmi brzy to potvrdili fyzici laboratoře, kde Crick pracoval. Teoreticky byl vyřešen důležitý biologický problém.
Crickovi se Paulingova metoda líbila natolik, že navrhl, aby Watson vytvořil model DNA pomocí molekulárního konstruktoru. Tak vznikl model slavné DNA Double Helix, který můžete vidět na obrázku.
A co je pozoruhodné: vzhledem k tomu, že A v jednom řetězci se může "držet pohromadě" pouze s T v jiném a G pouze s C, je automaticky splněno "chemické" pravidlo, podle kterého se množství A rovná množství T a množství G je množství C. Ale nejdůležitější je, že při pohledu na dvojitou šroubovici DNA je okamžitě jasné, jak vyřešit hádanku genové reprodukce. Stačí „rozmotat“ DNA pigtail a každý řetězec si bude moci vytvořit nový, aby se A spojilo s T a G - s C: byl jeden gen - jsou dva. Vzhledem k tomu, že velikosti párů AT a G-C jsou stejné, molekula DNA svou strukturou skutečně připomíná krystal, jak fyzici předpokládali.
A přitom tento „krystal“ může obsahovat nejrůznější kombinace A, T, C, G, a proto jsou všechny geny odlišné.
Řešení genového problému Watsona a Cricka vedlo k tomu, že doslova za 2-3 roky vznikl zcela nový obor přírodních věd, který byl tzv. molekulární biologie... Často se nazývá fyzikální a chemická biologie.

JAK SE „FYZICI“ A „TEXTY“ PŘESTALI HÁDAT

Lze uvést i další příklady vzájemného pronikání různých věd do sebe. Matematika je například široce používána v astronomii, fyzice a dokonce v ... lingvistice, nauce o struktuře jazyka.
Matematické metody, například umožňují identifikaci skutečného autora neznámých rukopisů. V archivech jsme našli neznámou báseň a kdo je jejím autorem? Učenci se domnívají, že ji napsal slavný básník. Ale jak lze tento předpoklad ověřit? Matematici spočítají, kolikrát se určité slovo v této práci vyskytuje, nebo řekněme, v jakém pořadí se slova objevují v textu. Stejné výpočty jsou provedeny ve slavném díle údajného autora. Výsledky jsou porovnány. Pokud se shodují, pak byl nalezen původní rukopis. Tak nám, čtenářům, matematici vracejí díla slavných spisovatelů a básníků ukradená časem.
Nebo třeba fyzika a hudba... Co může mít exaktní věda společného s uměním? Ukazuje se, že existuje něco společného.
Na smyčcové nástroje – housle, violoncello – si hudebník sám volí požadovanou výšku tónu. Houslistovi se nelíbí, jak zní např. nota „C“, zdá se mu, že by měla znít o něco výše nebo naopak o něco níže – sám vybere přesný zvuk na struně. To klavírista nemůže udělat. Na klávesnici je každá klávesa specifická poznámka. Stiskněte opakovaně, bude to znít stejně. To znamená, že pro přesné provedení hudebního díla musí být klavír velmi přesně naladěn. Fyzici vypočítali frekvenci zvukové vibrace, na kterou lze hudební klávesové nástroje nejpřesněji naladit. Jak je vidět, hudebníci a lingvisté by to bez fyziků a matematiků měli těžké.
Modernímu člověku je nutné mít širokou škálu znalostí. To je pro dnešního vědce obzvláště důležité. V naší době se objevilo mnoho kompozitních věd: fyzikální chemie a chemická fyzika, dokonce, jak nyní víte, fyzikální a chemická biologie. Co to všechno má společného s tebou? Nejpřímější.
Ve škole mě ani nenapadlo, že budu někdy studovat biologii. Měl rád exaktnější vědy. Ale teď se věnuji biologii.
Je špatné se oddělit školní předměty na ty, které jsou potřeba, a ty, které nejsou potřeba. Kdo ví, co by se mohlo hodit později?

V roce 1952 anglická biofyzička Rosalind Franklinová objevila, že deoxyribonukleová kyselina (DNA) svou strukturou připomíná točité schodiště. Nicméně sláva tohoto objevu, který položil základ moderní výzkum geny si následně přivlastnil Maurice I. Wilkins, stejně jako Francis Crick a James Watson.

Zařízení dědičnosti I Rosalind Franklin vycházelo z předpokladu, že DNA o obrovské délce je polymerní molekula nukleotidů - měla by sestávat z opakujících se bloků. K ověření této hypotézy se anglický výzkumník nemohl jednoduše uchýlit k mikroskopu. Takové submikroskopické jevy lze zachytit pouze pomocí rentgenové difrakce. Výzkumník proto vystavil molekuly DNA rentgenovému záření a v důsledku dlouhé usilovné práce zjistil, že jejich struktura je dvojitá šroubovice. Takže poprvé bylo možné si představit strukturu hlavní složky lidského života.

Otevření ve stínu

Výsledky svého výzkumu Franklinová hned nezveřejnila. Chtěla nejprve získat potvrzení svých pozorování od kolegů. V roce 1953 Maurice Wilkins, Franklinův vůdce, bez jejího vědomí předal výsledky, které mu byly předloženy, jeho spolupracovníkovi Crickovi a biochemikovi Watsonovi. V té době již tito vědci znali chemické složení DNA: cukr, deoxyribózu, fosfáty a báze obsahující dusík adenin, cytosin, guanin a thymin a okamžitě ocenili význam Franklinových dat.

Nobelova cena se neuděluje posmrtně

Crick a Watson, kteří provedli několik dodatků a změn v práci, ji publikovali pod vlastní jména... Slavný článek „The Molecular structure of nucleic acid cysts: the structure of deoxyribonucleic acid“, který vyšel v časopise „Nature“ v roce 1954, vzbudil bouřlivé nadšení vědeckého světa. Watson a Crick vytvořili logicky nezranitelný model, který se stal základem pro další výzkum. Rosalind Franklinová mezitím zemřela v roce 1958 na rakovinu ve věku 37 let. Nobelova cena za medicínu za objev struktury DNA byla udělena v roce 1962 Crickovi, Watsonovi a Wilkinsovi.

• 1865: Gregor Johann Medel zavedl zákony dědičnosti genetických principů.
• 1970: Hamilton O. Smith a Daniel Nathan položili základy genetického inženýrství.
• 1973: Ve Spojených státech byla poprvé vytvořena geneticky modifikovaná bakterie.
• 1976: Indický biofyzik Har Gobind z Koránu poprvé syntetizuje gen.