Historia badań nad DNA
W XIX wieku biolodzy prowadzili obserwacje procesu zapłodnienia pod mikroskopem. Badali także rozwój nowego organizmu następujący w wyniku podziału powstałej komórki tzw. zygoty. W tym samym czasie Karol Darwin (1809-1882), sformułował swoją teorię ewolucji w dziele „O powstaniu gatunków...”, jednakże nie potrafił wyjaśnić, w jaki sposób dziedziczone są pewne cechy. Tymczasem, z dala od ośrodków akademickich, pewien mnich z klasztoru augustianów w Brnie na Morawach przeprowadził bez rozgłosu cały szereg eksperymentów, które miały w przyszłości doprowadzić do odkrycia mechanizmów dziedziczenia.
Johann Mendel bo o nim mowa urodził się 22 lipca 1822 roku. Po dwóch latach studiów w Instytucie Filozoficznym w Ołomuńcu w 1043 wstąpił do zakonu w Brnie i przyjął zakonne imię – Gregor. W 1850 roku przystąpił do egzaminów nauczycielskich i nie zdał z biologii. Jednakże opat zgodził się wysłać go na Uniwersytet Wiedeński, gdzie przez trzy lata studiował fizykę, chemię, matematykę, zoologię i botanikę.
W 1854 roku powrócił do Brna i zaczął nauczać w gimnazjum o profilu technicznym. Nigdy nie zdobył dyplomu nauczyciela, ale w roku 1868 został wybrany na opata. W 1856 roku Mendel zaczął w małym przyklasztornym ogródku eksperymentować z grochem. Jedną z przeszkód , która stała na drodze w naukowym zrozumieniu głównych zasad hodowli roślin i zwierząt, było to, że zainteresowanie hodowców skupiało się tylko na rozwinięciu pewnych specyficznych , pożądanych cech - wszystkie inne były przez ich ignorowane. Mendel natomiast śledził każdą indywidualną cechę poprzez kolejne pokolenia. Wybrał on odmianę grochu, które wykazywały cechy takie jak: długie lub karłowate strąki, kwiaty o intensywnej lub słabej barwie, nasiona gładkie lub pomarszczone, żółte lub też zielone. Kiedy skrzyżował ze sobą dwie z tych odmian, następne pokolenie grochu wykazywały tylko jedną cechę , którą nazwał dominującą- odpowiednią długość, barwne kwiaty, zielone lub żółte nasiona , następne pokolenie w ¾ dziedziczyło cechę dominującą a w ¼ cechę recesywną.
Mendel doszedł do przekonania , że każdą cechę warunkuje czynnik, który może istnieć w jednej z dwóch form. W przeprowadzonych przez niego eksperymencie czynnik dominujący był odpowiedzialny za powstanie żółtych nasion, natomiast czynnik recesywny- za powstanie zielonych. Wniosek był taki: każda roślina posiada parę czynników, które zostają rozdzielone po jej zapyleniu, ale mogą połączyć się znowu w kolejnych pokoleniach.
W późniejszym okresie czynniki te nazwano genami od greckiego „rodzić”. Zwieńczeniem jego prac było sformułowanie dwóch praw, zwanymi prawami Mendla.
I prawo Mendla – Każda cecha determinowana jest przez dwa geny. Geny determinujące jedną cechę określana jest terminem allele. (Prawo czystości gamet.).
II prawo Mendla to prawo niezależnej segregacji. Geny warunkujące różne cechy segregują niezależnie od siebie i jest kwestią przypadku , który allel z pary warunkującej jedną cechę znajdzie się w gamecie z jednym bądź drugim allelem z par alleli warunkującej drugą cechę.
Mendel przesłał sprawozdanie z przeprowadzonych eksperymentów do znanego szwajcarskiego botanika Karla Wilhelma von Nageli ( 1817- 1891), jednakże jego krytyczna odpowiedź zniechęciła opata do dalszych badań. Jego sprawozdanie zostało opublikowane w roku 1866 w poważnym austriackim piśmie.
Johann Mendel – znany jako brat Gregor, opat klasztorny , lecz nie rozpoznawany jako pionier genetyki – zmarł 6 stycznia 1884 roku. Doceniono go dopiero 16 lat później. Hugo de Vries ( 1848 – 1935), holenderski profesor botaniki, prowadził badania wiesiołka dwuletniego. Wyhodował on 53509 okazów i nabrał przekonania, że odkrył osiem oddzielnych „gatunków” – mutacji gatunków pierwotnych. W tym samym czasie Karl Correns z Niemiec i Erich von Tschermak z Austrii – botanicy, również badali proces mutacji. Wszyscy trzech podczas studiowania natknęli się na pracę Mendla , opublikowali również swoje prace i powoływali się w nich na odkryciu Mendla.
Po raz pierwszy cząsteczkę DNA ( kwasu dezoksyrybonukleinowego) zidentyfikował , a następnie wyizolował, szwajcarski biochemik Fredrich w 1869 roku. Cząsteczka pochodziła z jądra ( nucleus) komórki ropienia i dlatego nazwał ją nukleiną. W ciągi kilku lat stwierdzono , że nukleiny mają naturę kwasową, przemianowano je więc na kwas nukleinowy. Dopiero pół wieku później dwóch młodych naukowców rozpoznało strukturę i funkcję DNA. Miescher pracował w laboratorium niemieckiego chemika Feliksa Hoppe-Seylera, który kontynuował badania i uzyskał inny kwas nukleinowy z drożdży . Inny uczeń Hoppe-Seylera , Albert Kossel (1853-1927) miał w przyszłości dokonać pierwszej analizy chemicznej kwasu nukleinowego. Wyizolował on występujące w jego strukturze cztery zasady zawierające azot. Nazwał je adeniną, guaniną, cytozyną i tyminą..
Phoebus Levene (1869-1940) w ciągu 20 lat badań wykonał dokładne analizy chemiczne kwasów nukleinowych. W 1911 roku wykazał, że kwas nukleinowy z drożdży zawierał cukier z 5 atomami węgla – rybozę. W ten sposób wykryto dwie odmiany kwasów nukleinowych – kwas rybonukleinowy (RNA) i kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA). Do 1934 roku Levene ustalił, że oba kwasy zbudowane są z nukleotydów, zawierających rybozę bądź dezoksyrybozę oraz grupę fosforanową i zasadę azotową.
W 1900 roku biolodzy obserwowali łączenie się w pary i oddzielanie chromosomów w jądrze komórki ulegającej podziałowi, gdy przypomniano sobie o pracach Mendela. W 1904 roku amerykański cytolog Walter S.Sutton (1877-1916) zasugerował, że może istnieje zależność między parami alleli (nazwanych w 1909 roku genami) z teorii Mendla i łączeniem się chromosomów w pary.
W tym samym czasie niemiecki chemik Robert Feulgen (1884-1955) odkrył barwnik, który barwił kwasy nukleinowe na kolor głębokiej czerwieni., substancja ta barwiła również chromosomy. Stwierdzono ,że to właśnie te ostatnie przenoszą informację genetyczną.
W 1928 roku Brytyjczyk , bakteriolog Frederic Griffith (1881-1941) stwierdził, że niezłośliwy szczep bakterii (pneumcocus) dwoinek zapalenia płuc może być zamieniony w szczep złośliwy przez działanie na niego martwymi komórkami bakterii szczepu złośliwego. Okazało się, że ma na to wpływ ma ciecz otaczająca martwe bakterie. W 1944 roku naukowcy z Uniwersytetu Rockefellera zidentyfikowali ową substancję – z cała pewnością był to kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA).
Nowe informacje przyniosły prace amerykańskiego biochemika Erwina Chargaffa , który analizował kwas DNA pochodzący z komórek różnych gatunków. Stwierdził, że zawartość adeniny była równa zawartości tyminy, a guaniny jak cytozyny.
James Watson i Francis Crick prace nad strukturą DNA prowadzili na początku lat 50 tych na uniwersytecie w Cambridge. Amerykanin Watson urodził się w 1928 roku , a Brytyjczyk Crick w 1916 roku. Mimo licznych badań nad strukturą i sposobem działania DNA nikomu przed nimi nie udało się szczegółowo dociec jaką funkcję pełni cząstka w komórce. Z badań swoich poprzedników dowiedzieli się, z jakich związków chemicznych składa się DNA, jednak początkowo nie byli w stanie zbudować spójnego modelu cząstki tej substancji. W rozwiązaniu problemu pomogła im dopiero Brytyjka Rosalind Franklin (1920 – 1958).
W 1951 roku prowadziła ona badania nad dyfrakcją promieni rentgenowskich w Laboratorium Biofizycznym King’s College w Cambgidge. Metoda ta umożliwiła obrazowanie struktury związków chemicznych. Franklin zastosowała ową technikę badawczą w pracach z DNA i wkrótce udało się odkryć, jaki kształt ma ta cząsteczka. Łącząc informacje uzyskane w czasie różnych eksperymentów , Watson i Crick stworzyli pierwszy szczegółowy model cząsteczki DNA. Swoje osiągnięcie przedstawili w 1953 roku.
Wykazali oni , że cząsteczka DNA przypomina budową drabinę skręconą śrubowo wokół osi – fachowo określa się ją mianem struktury podwójnej helisy. Każda strona owej skręconej drabiny jest zbudowana z cząsteczki cukru zwanego dezoksyrybozą , są one połączone ze sobą poprzez grupy fosforanowe. Bazą cząsteczki stanowi łańcuch cukrowo-fosforanowy. Każdy „szczebel” owej drabiny jest podzielony na dwie części. Poszczególne połówki są zbudowane z jednego z czterech różnych związków chemicznych zwanych zasadami- adeniny (A), guaniny (G), cytyzyny (C), lub tyminy (T).Zasady są mocno związane z łańcuchami cukrowo- fosforanowymi, natomiast wzajemne oddziaływania między sobą są słabsze. Adenina i guanina mają strukturę podwójnego pierścienia ( puryny), cytozyna i tymina to cząsteczki jednopierścieniowe (pirymidyny).
W uznaniu za wkład w tej dziedzinie w roku 1962 otrzymali wspólnie nagrodę Nobla z medycyny.
Do zasłużonych w pracach nad DNA należy nadmienić T.Averiego dotyczącej nośników informacji genetycznej oraz Meselson i Stahl w pracach nad kopiowaniem DNA ( replikacja ma charakter semikonserwatywny).