Jei prieš dvejus metus atrastą Higgso bozoną kartais vadiname dieviškąja dalele (nors pats Peteris Higgsas prašo to nedaryti), tai DNR tikrąja to žodžio prasme – dieviškoji molekulė. Joje įrašytas genetinis kodas, nulemiantis, kaip vystysis ir veiks visi gyvi organizmai – be šių instrukcijų gyvybės „mašinerija“ negalėtų veikti. Šiandien esame iššifravę tik nedidelę dalį šių instrukcijų, tačiau ir jų pakanka, kad žmogus įgautų dieviškų galių. Šiandien galime keisti ir tobulinti augalus ir gyvūnus, užkirsti kelią įvairioms ligoms, lengviau jas gydyti, nutolinti senatvę ir mirtį, kurti tikslias gyvų organizmų kopijas ar net įpūsti gyvybę dirbtiniams organizmams.
Visa tai ir daugybė ateities atradimų nebūtų galimi, jei prieš 60 metų keli talentingi mokslininkai nebūtų iš visų jėgų rungtyniavę tarpusavyje, kad suprastų, kaip atrodo ši magiškoji molekulė. Šis atradimas iš mokslininkų pareikalavo lakios vaizduotės, sunkaus darbo, šiek tiek gudravimo ir... ankstyvos mirties. 1962 metais trys mokslininkai – Francis Harry Comptonas Crickas, Jamesas Dewey Watsonas ir Maurice'as Hugh Frederickas Wilkinsas – gavo Nobelio fiziologijos ir medicinos premiją „už atradimus, susijusius su nukleorūgščių molekuline struktūra ir jų svarba informacijos pernešimui gyvuose organizmuose.“ DNR molekulės struktūros supratimas drąsiai gali būti statomas šalia Isaaco Newtono, Charleso Darwino ir Alberto Einsteino darbų – tai vienas didesnių žingsnių, vedančių žmoniją į mokslinės fantastikos romanuose aprašomą ateitį.
Šarangė varangė...
...chromosomose susirangė. Kas tai? Ogi DNR molekulė! Ji yra tokia plona, kad įžiūrėti ją galime tik pro galingiausius šiuolaikinius elektronų mikroskopus. 1953 metais tokių mikroskopų mokslininkai neturėjo, todėl DNR struktūros perpratimas buvo nelengvas darbas, už kurį vėliau ir buvo suteikta Nobelio premija. Taip pat magiškoji molekulė yra labai ilga. Kiekvienoje žmogaus ląstelėje esančios DNR ilgis, išvyniojus ją, siektų daugiau nei du metrus. Žmogaus organizme yra apie 50 trilijonų ląstelių, tad jei suraišiotume visas DNR molekules galais, gautume giją, kurios ilgis būtų lygus 70 kelionių nuo žemės iki Saulės ir atgal. Toks ilgas siūlas negali netvarkingai mėtytis ląstelėje, todėl jis yra kompaktiškai suvyniotas į specialias „rites“, kurias vadiname chromosomomis. Žmogaus DNR molekulei suvynioti prireikia net 46 chromosomų („ričių“), tačiau kaip iš arti atrodo pats „siūlas“?
Dabar jau žinome, kad DNR molekulė primena be galo ilgas, susisukusias virvines kopėčias: išilgines jų kojeles sudaro dvi apie vieną ašį besisukančios polinukleotidinės spiralės, o skersinius – tarpusavyje susijungusios azoto bazių poros. Turbūt kiekvienas iš mokyklos laikų prisimena keturias raides, žyminčias šias bazes: A (adeninas), C (citozinas), G (guaninas) ir T (timinas).
DNR molekulę galima būtų palyginti su besisukančiu užtrauktuku, kurį sudaro dvi vienodos, tik priešingomis kryptimis bėgančios azotinių bazių sekos. Azotinės bazės, tarsi keturių rūšių dantukai – šie „dantukai“ jungiasi tarpusavyje pagal paprastą taisyklę: G visada jungiasi tik su C, o A tik su T. Kiekvienoje DNR „užtrauktuko“ pusėje užkoduota ta pati genetinė informacija, tiesa, „dantukų“ sekos eina priešingomis kryptimis. Panašiai, kaip kompiuteryje informacija yra saugoma begalinėse nulių ir vienetų sekose, taip gyvų organizmų informacija užkoduota šių keturių raidžių sekose – skirtingo ilgio sekos atitinka skirtingus genus.
Dalinantis ląstelei, dvi DNR sekos atsiskiria – „užtrauktukas“ atsegamas ir prie kiekvienos jo pusės pradeda jungtis naujos azoto bazės (pagal aukščiau minėtą taisyklę). Tad galiausiai gauname du identiškus „užtrauktukus“, kitaip tariant dvi visiškai vienodas DNR molekules, taip genetinės informacijos „failas“ nukopijuojamas ir vietoje vienos ląstelės galime gauti dvi identiškas.
Žinoma, tai labai supaprastintas DNR struktūros ir veikimo modelis, tačiau tai yra pagrindas, leidęs mokslininkams per pastaruosius 60 metų daug giliau suprasti, kaip veikia gyvybė bei kaip įsikišti į šį procesą. Pažiūrėkime, kaip buvo įminta dieviškosios molekulės mįslė.
Neįžvelgti ryšiai
Pačią DNR molekulę pirmą kartą pastebėjo šveicarų biologas Friedrichas Miescheris 1869 metais, tyrinėdamas panaudotuose tvarsčiuose užsilikusius pūlius. Tiesa, mokslininko tikslas buvo ištirti baltuosius kraujo kūnelius (leukocitus) sudarančius baltymus, tačiau netyčia iš ląstelių branduolių jis išskyrė medžiagą, kurios savybės neatitiko jokių žinomo baltymo savybių. Šią medžiagą jis pavadino „nukleinu“, o kai buvo suprasta, kad tai rūgštis, atsirado pavadinimas nukleino rūgštis – raidės NR, trumpinyje DNR.
Tiesa, tuo metu F. Miescheris visiškai nesuprato savo atradimo masto. Tuo metu jis nesumojo, kad jo atrasta medžiaga bei 1865 metais čekų vienuolio Gregoro Mendelio atlikti eksperimentai kryžminant žirnius turi tiek daug bendro. G. Mendelis nustatė pagrindinius paveldėjimo dėsnius, tačiau panašiai, kaip ir F. Miescherio „nukleinas“, šie dėsniai (ir užuominos apie genus) nesulaukė didelio susidomėjimo.
Turėjo praeiti beveik pusė amžiaus, kol mokslininkai pripažino šiuos atradimus svarbiais ir pradėjo juos nuodugniau tyrinėti. Vienas jų buvo iš Žagarės kilęs Rokfelerio medicinos tyrimų instituto biochemikas Phoebusas Levene‘as. 1919 metais jis paskelbė išsiaiškinęs, kad nukleino rūgštis sudaro keturios skirtingos azoto bazės (adeninas, guaninas, timinas, citozinas), dezoksiribozė ir fosfatai. Ir nors tuo metu jau buvo plačiai pripažinta G.Mendelio paveldimumo teorija, niekas nepastebėjo sąsajų tarp šios teorijos, DNR ir genų – dauguma to meto biologų laikėsi nuomonės, kad paveldimumą perduoda baltymai.
Kas yra gyvybė?
Šis klausimas nedavė ramybės ne tik biologams, bet ir vienam žymiam fizikui – Erwinui Schrödingeriui, dar 1933-iaisiais gavusiam Nobelio premiją už pasiekimus kvantinėje fizikoje. Nuo 1935 metų jis daug mąstė apie tai, kaip gyvi organizmai perduoda informaciją, skaitė paskaitas šia tema ir įkvėpė ne vieną mokslininką tyrinėti paveldimumo mechanizmus. 1943 metais jis išleido knygą „What Is Life?“, kurioje buvo sudėta jo paskaitų šia tema medžiaga – čia jis darė įžvalga, kad kiekvienoje ląstelėje yra saugoma kažkokiu būdu užkoduota informacija apie visą gyvą organizmą. Tokia mintis šiandien atrodo akivaizdi, tačiau tuo metu tai buvo labai drąsi mintis, kuri labiau tiko poetui, o ne fizikui.
Taip jau sutapo, kad tais pačiais metais, kai išėjo E. Schrödingerio knyga, amerikiečių bakteriologas Oswaldas Avery kartu su kolegomis eksperimentais įrodė, kad už paveldimumą atsako ne baltymai, o būtent DNR. 1950-aisiais biochemikas Erwinas Chargaffas įrodė, kad keturi nukleotidai nukleino rūgštyse laikosi tam tikrų proporcijų, pavyzdžiui, kad adenino, kiekis yra tolygus timino kiekiui, o citozino kiekis atitinka guanino kiekį. Būtent šie visi aukščiau išvardinti mokslininkai bei dar keletas nepaminėtų ir tapo tais milžinais, ant kurių pečių atsistojo F. Crickas, J. Watsonas ir M. Wilkinsas.
Nuo karo prie biologijos
Apie 1950-uosius mokslininkai turėjo visas galvosūkio detales, tačiau niekaip negalėjo jo sudėti. Taip jau sutapo, kad Londono Karališkajame koledže ir Kembridžo universitete susirinko dvi talentingų tyrėjų komandos, kurios aršiai konkuravo tarpusavyje DNR tyrimų srityje. Paradoksalu, kad beveik visi gyvybės molekulę perpratę mokslininkai, karo metu prisidėjo kuriant mirtį nešančius ginklus. Galbūt iš čia ir kilo toks užsidegimas suprasti gyvybės mįslę.
Pradėsime nuo Karališkajame koledže dirbusios komandos ir jos narės Rosalindos Franklin. Klausiate, kas čia dabar? Juk jos pavardės prie Nobelio premijos nėra. Taip, nes aukščiausias mokslo apdovanojimas neteikiamas mirusiems – ši mokslininkė mirė nuo vėžio dar 1958 metais. Visgi be jos apdovanotoji trijulė nebūtų nustačiusi DNR struktūros. R. Franklin buvo talentinga rentgeno kristalografijos specialistė – difraguojantys rentgeno spinduliai leidžia nustatyti atomų išsidėstymą kristaluose ir molekulėse. Šie spinduliai ne tik padėjo perkąsti gyvybės molekulės struktūrą, bet ir prisidėjo prie R. Franklin mirties nuo vėžio.
Vis tik idėja, kad DNR molekulei tirti verta naudoti rentgeno kristalografijos metodą, kilo ne R. Franklin, o kartu su ja Karališkajame koledže dirbusiam M. Wilkinsui, iš Naujosios Zelandijos kilusiam fizikui. Antrojo Pasaulinio karo metu savo žinias jis įdarbino D. Britanijos karinėje pramonėje – M. Wilkinso tyrimai padėjo patobulinti radarų ekranus. Vėliau jis išvyko į JAV ir darbavosi žymiajame Manhattano projekte, sukūrusiame atominę bombą. Kaip ir dauguma kitų fizikų dirbusių prie šio projekto, M.Wilkinsas buvo nuviltas savo darbo rezultatų, atnešusių tik mirtį. Galbūt todėl po karo jis grįžo į D. Britaniją ir pasuko savo mokslinę karjerą link gyvybės – biofizikos srities. Čia jis ir sutiko R. Franklin, kuri buvo paskirta į tą pačią laboratoriją, tiriančią DNR.
Kita komanda – Kembridžo universitete susitikę ir visam gyvenimui susidraugavę mokslininkai: J. Watsonas ir už jį 12 metų vyresnis F. Crickas. Pirmasis buvo vos prieš kelerius metus gavęs daktaro laipsnį zoologijos srityje – darbštus ir ambicingas jaunas mokslininkas aktyviai dirbo su geriausiais Europos mokslininkais. Neapolyje vykusioje konferencijoje jis išklausė M. Wilkinso pranešimą apie DNR molekulės tyrimą rentgeno kristalografijos metodu – ši mintis su juo pasiliko ilgam.
Nors ir stipriai vyresnis už J. Watsoną, F. Crickas tuo metu dar tik dirbo prie savo disertacijos. Karo metu jis taip pat padėjo D. Britanijos jūrų laivynui, kurti „gudresnes“ vandens minas. Pagal išsilavinimą fizikas, šis mokslininkas po karo pasuko link biologijos – čia jis susidūrė su gyvybės struktūrų painumu, kurį suprasti jam padėjo laki vaizduotė.
Štai ši konkuruojanti ketveriukė ir tapo pagrindu suprasti DNR – kiekvienas jų papildė vienas kitą. M. Wilkinsas pirmasis sumanė, kad DNR struktūrą galima tirti panaudojant rentgeno kristalografijos metodą. R. Franklin padarė puikias DNR rentgeno kristalografijos nuotraukas. J. Watsonas buvo tiesiog apsėstas siekio kuo greičiau perprasti DNR struktūrą. Jis pažinojo M. Wilkinsą, kuris neatsiklausęs R. Franklin, parodė vieną jos darytų nuotraukų J. Watsonui ir F. Crickui. Pastarasis turėjo neįtikėtiną talentą – vien pažiūrėjęs į abstrakčias difrakcijos žymes, jis galėjo įsivaizduoti, kaip atrodo tikroji DNR molekulė.
Tad 1953 metais žurnale „Nature“ pasirodė net trys moksliniai straipsniai aptariantys, kaip iš tiesų atrodo DNR molekulė – dviguba spiralė, besisukanti apie vieną ašį. Nuo tada stipriai pažengėme į priekį ir šiandien genetika bei molekulinė biologija žengia septynmyliais žingsniais. Esame iššifravę žmogaus genomą, pagal DNR žymes galime gaudyti nusikaltėlius ar nustatyti tėvystę, galime klonuoti gyvūnus, sukūrėme pirmą visiškai sintetinę gyvybę ir, panašu, netrukus sukursime gyvybės eliksyrui prilygstančius gydymo metodus. Kas bus toliau? Tai jau visiškai kita istorija...