Maclyn McCarty (1911–2005) i Colin MacLeod (1909–1972) wykazują, że DNA zawiera informację genetyczną
1952
Alfred Hershey (1908–1977) i Martha Chase (1927–2003) wykorzystują znakowanie radioaktywne, aby wykazać genetyczną rolę DNA
Oddawanie moczu, który ciemnieje na powietrzu, musi być stresujące, jednak schorzenie, które to powoduje, nie było zbyt dokładnie badane przez lata, gdyż jest w dużej mierze nieszkodliwe. W latach 90. XIX wieku przykuło uwagę Archibalda Garroda, angielskiego lekarza. Niedługo po ponownym odkryciu prac Mendla Garrod zauważył, że choroba zachowywała się zgodnie z mendlowskim wzorem dziedziczenia. Zidentyfikował nie tylko jedną z pierwszych chorób, w których potwierdzono podłoże genetyczne, ale także regułę panującą w całej genetyce, że geny działają przez wytwarzanie białek.
Choć alkaptonuria jest rzadka, dotyka 1 na 200 000 ludzi, Garrod zauważył, że była znacznie częstsza u potomstwa małżeństw będących kuzynami pierwszego stopnia i że w rodzinach ryzyka stosunek zdrowych do chorych wynosił niemal dokładnie 3 do 1. Zdał sobie sprawę, że dokładnie tego można oczekiwać, jeśli alkaptonuria byłaby powodowana przez gen recesywny, a nie przez infekcję, jak powszechnie uważano.
Znajomość biochemii doprowadziła Garroda do wyjaśnienia funkcji tego genu. Ciemnienie moczu chorych na alkaptonurię powoduje substancja zwana kwasem homogentyzynowym, który zwykle rozpada się w organizmie. Garrod podejrzewał, prawidłowo zresztą, że pacjentom z tym schorzeniem brakowało enzymu (białka katalizującego reakcje chemiczne) niezbędnego do jego eliminacji. Dlatego związek ten był wydzielany w moczu, powodując jego ciemnienie.
Jeden gen, jedno białko Garrod z tych obserwacji wydedukował, że funkcją genu jest wytwarzanie białek. Wiele innych schorzeń mogłoby być powodowanych przez podobne, jak je nazwał w tytule książki z 1909 roku, „wrodzone błędy metabolizmu”. Było to bardzo istotne spostrzeżenie, bo sugerowało sposób, w jaki geny i mutacje genetyczne mogłyby wpływać na biologię. Prawdopodobnie jednak, z powodu braku zainteresowania chorobą przez niego badaną, teorie Garroda, podobnie jak Mendla, pozostały niezauważone przez dziesięciolecia.
Brakowało im także bezpośrednich dowodów, których dostarczyli w latach 40. XX wieku George Bedle – inny uczeń T.H. Morgana – i amerykański genetyk Edward Tatum. Prace Beadle’a nad muszką owocową sugerowały, że kolor oczu może być uzyskiwany dzięki reakcjom chemicznym przebiegającym pod kontrolą genów, ale ten organizm był zbyt złożony, aby dało się to udowodnić doświadczalnie. Beadle i Tatum sięgnęli więc po prostego pleśniaka Neurospora crassa, którego napromieniowano, aby uzyskać mutanty.
Po skrzyżowaniu mutantów z normalnymi pleśniakami część ich potomstwa rosła normalnie, a część dzieliła się jedynie wtedy, gdy do pożywki hodowlanej dodano specyficznego aminokwasu – argininy. Te pleśniaki odziedziczyły mutację w genie niezbędnym do wytwarzania argininy. I dopóki z zewnątrz nie dostarczono tego niezbędnego aminokwasu, grzyby nie mogły rosnąć.
Życie na Marsie?
Jeśli kiedykolwiek na Marsie – czy gdziekolwiek indziej, jeśli chodzi o ścisłość – zostanie odkryte prymitywne życie, pierwszym pytaniem zadanym przez naukowców będzie: „Czy jest oparte na DNA?” Genetyczne instrukcje wszystkich ziemskich organizmów są zapisane w DNA (z wyjątkiem pewnych wirusów RNA, które i tak nie mogą się rozmnażać bez udziału gospodarza, który ma DNA). Daje to przejmująco dobry argument, że wszystkie pochodzą od wspólnego przodka. Jeśli pozaziemskie życie także wykorzystuje DNA, podobna implikacja jest wciąż prawdziwa. Może Mars został zasiedlony przez mikroorganizmy zawleczone z Ziemi na meteorycie. A może prawdziwe jest stwierdzenie odwrotne i my w rzeczywistości jesteśmy Marsjanami.
To sugerowało prostą regułę: każdy gen zawiera instrukcję tworzenia jakiegoś enzymu i ten enzym następnie działa w komórce. Mimo że reguła od tamtego czasu została zmodyfikowana – pewne geny mają zdolność wytwarzania więcej niż jednego enzymu lub mniejszego składnika komórki – jest w zasadzie poprawna. Geny nie kierują bezpośrednio chemią komórkową, ale działają poprzez białka, które wytwarzają lub których nie są w stanie wytworzyć z powodu mutacji.
Jest to spostrzeżenie, które miało swe implikacje w medycynie. Podczas gdy zmiana defektywnego genu powodującego chorobę jest trudna, niektóre schorzenia genetyczne można leczyć bardziej bezpośrednio przez zastąpienie brakującego białka. Na przykład chorzy na hemofilię mogą przyjmować enzym odpowiedzialny za krzepnięcie krwi, którego ich organizm nie jest w stanie sam wytworzyć.
Nadejście ery DNA Odkrycie, że geny zawierają instrukcję tworzenia białek, było poważnym wyzwaniem dla konwencjonalnego pojmowania ich budowy, gdyż powszechnie uważano, że geny są białkami. Jeśli białka rzeczywiście były wytworem genów, to chemiczne podłoże dziedziczności musiało być inne. Znaleziono je w tajemniczej substancji, po raz pierwszy oczyszczonej z nasączonych ropą bandaży przez szwajcarskiego uczonego Friedricha Mieschera w 1869 roku: kwasie deoksyrybonukleinowym, czyli DNA.
Wiedziano, że DNA jest prawie w każdym rodzaju komórek i Miescher podejrzewał, że może odgrywać rolę w dziedziczeniu. Do potwierdzenia tych przypuszczeń doprowadził cykl eksperymentów zapoczątkowanych w roku 1928 przez Frederica Griffitha, który interesował się bakterią powodującą zapalenie płuc istniejącą w dwóch postaciach: powodującej śmierć i całkiem niegroźnej. Gdy naukowcy wstrzyknęli myszy nieszkodliwe bakterie i wcześniej zinaktywowane śmiercionośne bakterie, ze zdziwieniem stwierdzili, że gryzonie chorują i umierają. Nieszkodliwe zarazki w jakiś sposób uzyskały zjadliwość od unieszkodliwionych.
Kontynuatorami tych badań byli Oswald Avery, Maclyn McCarty i Colin MacLeod. Aby znaleźć to, co Griffith nazwał „czynnikiem transformującym”, eksperymentowali oni z ponad 90 litrami bakterii przez ponad dziesięć lat. Traktowali je enzymem za enzymem, który inaktywował poszczególne związki chemiczne, aby sprawdzić rozmaitych kandydatów odpowiedzialnych za przekazanie śmiertelnych instrukcji między zarazkami. Dopiero gdy wypróbowali enzym rozkładający DNA, transformacja zatrzymała się: DNA był przekaźnikiem. Wyniki ich badań ukazały się w roku 1944. Dalsze dowody potwierdzające jego rolę nadeszły w 1952 roku od Alfreda Hersheya i Marthy Chase, którzy wyznakowali radioaktywnie DNA, aby pokazać, że jest on materiałem genetycznym faga – typu wirusa atakującego bakterie.
DNA jest nie tylko esencją życia bakterii i fagów: zapisuje genetyczne recepty wszystkich żywych stworzeń na Ziemi. Jedynym wyjątkiem są pewne wirusy, które wykorzystują jego chemicznego kuzyna, kwas rybonukleinowy (RNA) – a ponieważ nie rozmnażają się samodzielnie, wciąż trwa debata, czy rzeczywiście można je nazwać organizmami żywymi.
Informacja w DNA jest zapisana za pomocą jedynie czterech „liter” znanych jako nukleotydy lub zasady (zob. ramka). Jednak ten prosty alfabet wystarcza do stworzenia organizmów tak różnych jak człowiek i śledź, żaba czy paproć. Buduje zarówno geny wytwarzające białka, jak i ich genetyczne przełączniki, które je włączają i wyłączają i jest samopowielający się, tak że całą informację można skopiować za każdym razem, gdy komórka się dzieli. Jest to oprogramowanie życia zawierające informację potrzebną do budowy i obsługi organizmu.
Alfabet DNA
Każda cząsteczka DNA składa się z fosforanów i cukrów, które stanowią jego zrąb, i bogatych w azot związków chemicznych znanych jako nukleotydy lub zasady, które kodują informację genetyczną. Istnieją cztery rodzaje zasad – adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T) – i razem stanowią litery, za pomocą
