Täpselt 65 aastat tagasi avaldasid Briti teadlased James Watson ja Francis Crick artikli DNA struktuuri dešifreerimisest, pannes aluse uuele teadusele - molekulaarbioloogiale. See avastus on inimkonna elus palju muutunud. RIA Novosti räägib DNA molekuli omadustest ja miks see on nii oluline.
19. sajandi teisel poolel oli bioloogia väga noor teadus. Teadlased alles alustasid raku uurimist ja pärilikkuse mõiste, kuigi selle oli juba sõnastanud Gregor Mendel, ei pälvinud laialdast tunnustust.
1868. aasta kevadel tuli noor Šveitsi arst Friedrich Miescher Tübingeni ülikooli (Saksamaa) teadustööd tegema. Ta kavatses välja selgitada, millistest ainetest rakk koosneb. Katseteks valisin leukotsüüdid, mida on mädadest kerge saada.
Eraldades tuuma protoplasmast, valkudest ja rasvadest, avastas Miescher kõrge fosforisisaldusega ühendi. Ta nimetas seda molekuli nukleiiniks (ladina keeles on tuum tuum).
Sellel ühendil olid happelised omadused, seetõttu loodi mõiste "nukleiinhape". Selle eesliide desoksüribor tähendab, et molekul sisaldab H rühmi ja suhkruid. Siis selgus, et see oli tegelikult sool, kuid nime ei muudetud.
20. sajandi alguses teadsid teadlased juba, et nukleiin on polümeer (see tähendab väga pikka painduvat korduvate ühikute molekuli), üksused koosnevad neljast lämmastiku alusest (adeniin, tümiin, guaniin ja tsütosiin) ning nukleiin sisaldub kromosoomides - kompaktsed struktuurid, mis tekivad lahtrite jagamisel. Nende võimet pärilikke tunnuseid edasi anda näitas ameerika geneetik Thomas Morgan puuviljakärbestega tehtud katsetes.
DNA struktuur.
Reklaamvideo:
Mudel, mis selgitas geene
Kuid mida desoksüribonukleiinhape ehk lühidalt DNA rakutuumas teeb, ei saanud pikka aega aru. Arvati, et sellel on kromosoomides mingi struktuuriline roll. Pärilikkuse ühikud - geenid - omistati valgu olemusele. Läbimurre tegi Ameerika teadlane Oswald Avery, kes katseliselt tõestas, et geneetiline materjal kandub bakteritest bakterite kaudu edasi DNA kaudu.
Sai selgeks, et DNA-d on vaja uurida. Aga kuidas? Sel ajal olid teadlastele kättesaadavad ainult röntgenikiirgus. Bioloogiliste molekulide läikimiseks nendest pidid nad kristalliseeruma ja see on keeruline. Valgu molekulide struktuuri dešifreerimine röntgendifraktsioonimustrite abil viidi läbi Cavendishi laboris (Cambridge, Suurbritannia). Seal töötanud noortel teadlastel James Watsonil ja Francis Crickil polnud oma DNA-d puudutavaid eksperimentaalseid andmeid, mistõttu kasutasid nad Kuninga kolledži kolleegide Maurice Wilkinsi ja Rosalind Franklini radiograafiaid.
Watson ja Crick pakkusid välja DNA struktuuri mudeli, mis vastab täpselt röntgendifraktsiooni mustritele: kaks paralleelset ahelat on keeratud parempoolseks spiraaliks. Iga ahel volditakse suvalise lämmastiku aluste komplektiga, need on nihutatud nende suhkrute ja fosfaatide selgroole ning neid hoiab aluste vahel venitatud vesiniksidemed. Veelgi enam, adeniin kombineerub ainult tümiiniga ja guaniin - tsütosiiniga. Seda reeglit nimetatakse täiendavuse põhimõtteks.
Watsoni ja Cricki mudel selgitas DNA nelja peamist funktsiooni: geneetilise materjali replikatsioon, selle spetsiifilisus, teabe talletamine molekulis ja selle võime muteeruda.
Teadlased avaldasid oma avastuse ajakirjas Nature 25. aprillil 1953. Kümme aastat hiljem omistati talle ja Maurice Wilkinsile Nobeli bioloogiapreemia (Rosalind Franklin suri 1958 vähki 37-aastaselt).
„Nüüd, rohkem kui pool sajandit hiljem, võime öelda, et DNA struktuuri avastusel oli bioloogia arengus sama roll kui aatomituuma avastamisel füüsikas. Aatomi struktuuri selgitamine viis uue kvantfüüsika sünnini ja DNA struktuuri avastamine viis uue, molekulaarbioloogia sünnini,”kirjutab väljapaistv geneetik, DNA-uurija, raamatu“Kõige olulisem molekul”autor Maxim Frank-Kamenetsky.
Geneetiline kood
Nüüd jäi alles teada saada, kuidas see molekul töötab. Oli teada, et DNA sisaldab juhiseid rakuvalkude sünteesiks, mis teevad kogu töö rakus. Valgud on polümeerid, mis koosnevad korduvatest aminohapete komplektidest (järjestustest). Pealegi on ainult kakskümmend aminohapet. Loomaliigid erinevad üksteisest rakkude valkude kogumis, see tähendab aminohapete erinevates järjestustes. Geneetikud väitsid, et neid järjestusi annavad geenid, mis siis arvati olevat esimesed elu alustalad. Mis geenid aga olid, ei teadnud keegi täpselt.
Suure Paugu teooria autor, füüsik Georgy Gamov, George Washingtoni ülikooli (USA) töötaja, tegi selle selgeks. Watsoni ja Cricki kaheahelalise DNA spiraali mudeli põhjal soovitas ta, et geen on tükk DNA-d, see tähendab teatud lingide jada - nukleotiide. Kuna iga nukleotiid on üks neljast lämmastiku alusest, peate lihtsalt välja mõtlema, kuidas need neli elementi kodeerivad kakskümmend. See oli geneetilise koodi idee.
1960. aastate alguseks oli kindlaks tehtud, et valgud sünteesitakse aminohapetest ribosoomides, mis on omamoodi "tehased" raku sees. Valgu sünteesi alustamiseks läheneb ensüüm DNA-le, tunneb ära geeni alguses konkreetse saidi, sünteesib geeni koopia väikese RNA kujul (seda nimetatakse matriitsiks), seejärel kasvatatakse ribosoomi aminohapetest valk.
Samuti said nad teada, et geneetiline kood on kolmetäheline. See tähendab, et kolm nukleotiidi vastavad ühele aminohappele. Koodi ühikut nimetati koodoniks. Ribosoomi korral loetakse mRNA-st saadud teave koodoniks järjestuse järgi. Ja igaüks neist vastab mitmele aminohappele. Kuidas šifr välja näeb?
Sellele küsimusele vastasid Marshall Nirenberg ja Heinrich Mattei USA-st. 1961. aastal esitlesid nad oma tulemusi esimest korda Moskvas biokeemilisel kongressil. 1967. aastaks oli geneetiline kood täielikult dekodeeritud. See osutus universaalseks kõigi organismide kõigi rakkude jaoks, millel oli teadusele kaugeleulatuvad tagajärjed.
DNA struktuuri ja geneetilise koodi avastamine on bioloogilised uuringud täielikult ümber suunanud. Fakt, et igal inimesel on ainulaadne DNA järjestus, on kriminalistikat põhjalikult muutnud. Inimese genoomi dešifreerimine on andnud antropoloogidele täiesti uue meetodi meie liigi evolutsiooni uurimiseks. Hiljuti leiutatud DNA toimetaja CRISPR-Cas on geenitehnoloogiat palju edasi arendanud. Ilmselt talletab see molekul lahenduse inimkonna kõige pakilisematele probleemidele: vähk, geneetilised haigused, vananemine.
Tatjana Pichugina
