ساختار DNA چگونه کشف شد؟

پیش از کشف مولکول های DNA که حامل اطلاعات ژنتیکی ما هستند، هیچ ایده ای درباره ساز و کار بنیادین حیات نداشتیم. داستان تشریح و پرده برداری از ساختار مارپیچ دوگانه DNA یکی از بزرگترین دستاوردهای علمی بشر است.

در این مقاله شما می توانید با دانشمندان پیشرو و یافته های آنها از کشف کروموزوم و DNA در قرن نوزدهم تا شناسایی اجزای سازنده آن، نقش بلورنگاری پرتو ایکس و تصویر 51 آشنا شوید.

سال 1869، محقق جوانی در آزمایشگاهی در قلعه ای قدیمی در آلمان، سخت مشغول کار بود. آن آزمایشگاه مشغول تحقیق درباره ساختار یاخته ها بود و فردریش میشر (Friedrich Miescher) وظیفه بررسی یاخته های به ظاهر ساده گویچه های سفید خون را بر عهده داشت. یاخته هایی که از چرک بر جا مانده روی بانداژهای دور انداخته شده بیمارستانی محلی استخراج شده بود. میشر خسته از تلاش هایش برای طبقه بندی پروتئین های یاخته ها، توجهش را به ماده دیگری معطوف کرد که پیوسته در نمونه هایش ظاهر می شد. یافته میشر عجیب بود؛ اسیدی که در ساختارش فسفر داشت و نشانگر این بود که او نوع کاملاً جدیدی از ماده را کشف کرده است. نوکلئین یا آنطور که ما امروزه می شناسیم، DNA کشف شده بود.

کشف هایی که جدی گرفته نشدند.

همانند هر دانشمند خوبی که دیرباور و شکاک است، رئيس ميشر، فلیکس هوپه – زایلر (Felix Hoppe-Seyler) جانب احتیاط را پیش گرفت و منتظر ماند تا آزمایش ها تکرار شوند. سرانجام پس از دو سال، اجازه انتشار نتایج را داد. اما دهه ها طول کشید تا دانشمندان از اهمیت و نقش DNA آگاهی پیدا کنند. میشر موفق شد DNA را در طیف گسترده ای از یاخته ها شناسایی کند. اما حتی خود او هم نمی توانست باور کند تنها همین یک ماده است که تنوع گسترده حیات را ایجاد می کند. تا اواخر دهه 1940، بیشتر دانشمندان گمان می کردند پروتئین ها (مولکول های غول آسای زیستی که در هر شکل و اندازه ای یافت می شوند) تنها ماده ای هستند که از پیچیدگی کافی برخوردارند تا بتوانند نقش عوامل وراثتی را ایفا کنند.

کروموزوم ها، رشته های درهم تابیده ای از DNA و پروتئین ها که حاوی ژن ها هستند. نخستین بار اوایل دهه 1840 در یاخته ها شناسایی شده بودند. سپس در سال 1865، کشیش اتریشی گرگور مندل (George Mendel) از گیاه نخودفرنگی استفاده کرد تا به بررسی نظریه هایی درباره وراثت ژنتیکی بپردازد. او پیشنهاد داد صفات در واحدهای گسسته به ارث می رسند. وقتی نتیجه کارهای او دوباره در اوایل قرن بیستم کشف شد، طوفان تحقیقاتی به راه افتاده نشان داد این واحدها یا همان ژن ها باید درون کروموزوم ها قرار داشته باشند. اما این ژن ها از چه چیزی ساخته شده بودند: DNA یا پروتئین؟

نخستین رازگشایی ها

پزشکی آلمانی به نام آلبرشت کوسل (Albrecht Kossel) بود که نخستین گام ها را برای یافتن پاسخ این پرسش ها برداشت. او که در اواخر قرن نوزدهم زیر نظر هوپه – زایلر کار می کرد، بازهای DNA را کشف کرد (باز ترکیب شیمیایی مقابل اسید است). آنها را تیمین (T)، آدنین (A)، سیتوزین (C) و گوانین (G) نامید. کارهای او بوسیله فيبس لوین (Phoebus Levene) دنبال شد.

از اواسط دهه 1890، لوین به مدت سه دهه به مطالعه ساختار DNA پرداخت و دیگر مولفه های آن را شناسایی کرد: قندی به نام دئوکسی ریبوز و گروه فسفات. او همچنین کشف کرد DNA از واحدهایی ساخته شده است که او آنها را نوکلئوتید نامید. هر کدام از این نوکلئوتیدها از یک قند، گروه فسفات و یکی از بازهای چهارگانه تشکیل شده اند. این واحدها بواسطه پیوندهای بین گروه فسفات یک نوکلئوتید و قندنوکلئوتید بعدی به هم متصل هستند. اما لوین از یافته های صحیح خودش فراتر رفت و پیشنهاد داد هر مولکول DNA تنها از چهار نوکلئوتید ساخته شده است که هر کدام یکی از انواع باز را در خود دارند و در ساختاری حلقوی به نام تترانوکلئوتید به هم پیوسته اند.

فیزیک به کمک پزشکی می آید.

پرده برداری از پیچیدگی پنهان DNA نیازمند آن بود که بتوان نگاهی نزدیکتر به آن انداخت. همزمان که لوین مشغول حل راز DNA در نیویورک بود، یک گروه پدر و پسری در آن سوی اقیانوس اطلس شگردی را پایه گذاری کردند که کلید تعیین ساختار DNA را در اختیار داشت. ویلیام هنری براگ، فیزیکدان دانشگاه لیدز انگلستان همراه پسرش ویلیام لورنس براگ که محقق آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج بود، بین سال های 1912 تا 1914 پایه گذار دانش بلورنگاری پرتو ایکس بودند.

این دو نفر از کارهای ماکس فون لائو (Max von Laue) الهام گرفته بودند. فیزیکدانی آلمانی که در سال 1912، پدیده پراش پرتوهای ایکس را هنگام عبور از درون بلورها کشف کرد. براگ پسر استدلال می کرد از آنجا که بلورها الگوهای منظمی از اتم ها هستند، نحوه خم شدن پرتوهای ایکس هنگام عبور از میانه آنها باید چیزی را درباره ساختار آنها آشکار کند. پدر او که ذهن عملگراتری داشت، نخستین طیف سنج پرتو ایکس دنیا را اختراع کرد. دستگاهی که می توانست باریکه ای از پرتوهای ایکس به مواد شلیک کند.

همراه یکدیگر، این دو نفر نظریه براگ پسر را روی بلورهای نمک آزمایش کردند. در این آزمایش، ورقه عکاسی را پشت بلور گذاشتند تا پرتوهای پراشیده ایکس، الگوی مشخصه بلور را روی آن ایجاد کند. لورنس براگ فرمولی ارائه کرد که امروزه به نام قانون براگ شناخته می شود و این امکان را برای آن دو نفر فراهم می کرد که بر اساس الگوهای شکل گرفته، ساختار بلور را استنتاج کنند. شاهکار این دو نفر جایزه نوبل فیزیک 1915 را برای آنها به ارمغان آورد.

ویلیام آستبوری (William Astbury) یکی از نخستین کسانی بود که این شگرد را برای مولکول های زیستی بکار برد. در میان گروه آستبوری، دانشجوی دکترایی به نام فلورنس بل حضور داشت که نخستین عکس های پراش پرتو ایکس مولکول DNA را گرفت. این واقعیت که اصولاً الگویی ایجاد می شد، نشان می داد DNA ساختاری قابل کشف دارد. تصاویر گرفته شده آستبوری و بل در مقایسه با تصاویر واضحی که روزالیند فرانکلین (Rosalind Franklin) در اوایل دهه 1950 تهیه کرد، شبیه لکه هایی محو بودند. اما یک حقیقت مهم را آشکار کردند: فاصله بین بازها در مولکول DNA. سال 1938، آتسبوری با استفاده از این عکس ها ساختاری برای DNA پیشنهاد کرد که در آن، بازها روی هم کپه شده بودند. اما جزئیات تصاویر تهیه شده به اندازه ای نبود که او بتواند از این پیشتر برود.

سرنخ هایی که در باکتری بودند.

همزمان و در آمریکا، محقق پزشکی به نام اسوالد ایوری (Oswald Avery) به سختی مشغول بهبود آزمایشی بود که سال 1928 و بدست زیست شناس میکروبی انگلیسی به نام فرد گریفیث انجام شده بود. گریفیث نشان داده بود این امکان وجود دارد که باکتری های بی خطر و نسل های بعدی آن را با ترکیب کردن آنها با باکتری های زهرآگین، به باکتری های خطرناک تبدیل کرد. این موضوع نشان می داد باید چیزی وجود داشته باشد که از باکتری زهرآگین به باکتری بی خطر منتقل می شود.

ایوری و گروهش عمداً شرایطی را فراهم کردند که در آن تنها DNA و نه پروتئین می توانست منتقل شود. به این ترتیب آنها نشان دادند تنها DNA است که صفات را انتقال می دهد. اگرچه باور این موضوع برای بسیاری دشوار بود، اما DNA به وضوح حامل عوامل وراثتی بود. علم هم ابزار لازم برای کشف ظاهر آن را در اختیار داشت. مسابقه برای یافتن ساختار DNA در دهه 1950 آغاز شده بود.

تحقیقات DNA از وضعیت حاکم بر دنیای علم پس از جنگ جهانی دوم سود برد. چرا که بسیاری از فیزیکدان هایی که برای جنگ استخدام شده بودند، اکنون توجه شان را به مشکلات ملایم تر زیست شناسی معطوف کرده بودند. یکی از این فیزیکدانان موریس ویلکینز (Maurice Wilkins) بود که در هر دو پروژه رادار و پروژه منهتن کار کرده بود. اواسط دهه 1950، ویلکینز معاون واحد جدید بیوفیزیک کینگز کالج لندن بود. در زیرزمینی نمور زیر رودخانه تیمز، ویلکینز همراه با دانشجوی دکترایش ریمون گاسلینگ (Raymond Gosling) تصاویر پرتو ایکس به مراتب شفاف تری از DNA تهیه کردند.

سال 1951، روزالیند فرانکلین که در پاریس برای خودش اسم و رسمی به هم زده بود، با توجه به مهارت های بلورنگاری اش دعوت شد تا به گروه ملحق شود. یکی از مهم ترین دستاوردهای فرانکلین در مدت زمان حضورش در کینگز کالج این بود که با همکاری گاسلینگ، کشف کردند دو شکل مختلف از DNA وجود دارد: شکل الف که بی آب بود و محکم درهم پیچیده بود و شکل ب که آبدار و بلندتر بود و الگوهای پرتو ایکس متفاوتی تولید می کرد. آنها حدس زدند تصاویر محو و لکه دار آستبوری باید ترکیبی از هر دوی آنها باشد.

گروه ویلکینز و بخصوص فرانکلین عقیده داشتند ساختار DNA با انجام کارهای دقیق بلورنگاری پرتو ایکس مشخص خواهد شد. اما در آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج که در آن موقع بوسیله ویلیام لورنس براگ اداره می شد، دو دوست محقق به نام های جیمز واتسون و فرانسیس کریک (James Watson و Francis Crick) عقاید دیگری داشتند.

تنور رقابت داغ می شود.

واتسون و کریک تصمیم گرفتند به جای آزمایش، مدل هایی فیزیکی بسازند تا مشخص شود مولفه های سازنده شناخته شده DNA چطور می توانند در کنار یکدیگر قرار بگیرند. بیشتر دانش آزمایشگاهی آنها از شرکت در سمینارها و گفتگوهای غیر رسمی با ویلکینز بدست می آمد که رابطه دوستانه ای بین آنها وجود داشت.

اواخر سال 1951، واتسون و کریک گروه کینگز کالج را دعوت کردند تا بازدیدی از آخرین مدل آنها داشته باشند که گمان می کردند نشانگر ساختار DNA است. این مدل از سه زنجیره DNA ساخته شده بود. ستون فقراتی از جنس قند فسفات در میان خود داشت و بازها در خارج آن قرار گرفته بودند. فرانکلین بی درنگ دریافت این مدل اشتباه است. آب موجود در DNA به معنای آن بود که ستون فقرات باید در بخش خارجی قرار داشته باشد. براگ که خجالت زده شده بود، واتسون و کریک را از انجام کار بیشتر روی DNA منع کرد.

ماه می 1952، فرانکلین تصویر مشهور موسوم به عکس 51 (Photo 51) را گرفت؛ عکس فوق العاده شفافی از شکل ب (آب دار) DNA. اما از آنجا که به ويلکینز قول داده بود روی شکل الف کار کند، آن را کنار گذاشت. در ژانویه 1953، فرانکلین که تصمیم گرفته بود گروه ویلکینز را ترک کند و به کالج بیرکبک (Birkbeck) برود، کارهایش را با رهبر گروه به اشتراک گذاشت. ویلکینز که مدت ها بود باور داشت DNA باید ساختاری مارپیچی داشته باشد، عکس را به واتسون نشان داد. بعدها واتسون در این باره نوشت: «به محض اینکه عکس را دیدم، دهانم باز ماند و قلبم شروع به تپیدن کرد.» عکس 51 بی درنگ ایده مارپیچ را به واتسون داد و او با این ایده به کمبریج بازگشت.

جورچین کامل می شود.

واتسون و کریک که از یکسو می ترسیدند انگلستان در این رقابت بازنده شود و از سوی دیگر برای خودشان بخت بالایی قائل بودند، دوباره مدلسازی را از سر گرفتند. آنها می دانستند بازهای DNA در چه فاصله ای از هم قرار دارند، ستون فقرات DNA باید در بخش خارجی قرار داشته باشد. ساختار کلی DNA شکلی مارپیچی دارد و اینکه احتمالاً از دو زنجیره ساخته شده است. همچنین با توجه به گزارش های ارسالی به کمیته بیوفیزیک انجمن تحقیقات پزشکی که بودجه هر دو گروه را تامین می کرد، این بار آنها بخش عمده داده های فرانکلین را از پیش دیده بودند. بر همین اساس، کریک توانست استنتاج کند زنجیره های مولکول DNA از بالا و پایین به یک شکل دیده می شود و بنابراین باید در جهات مختلف کشیده شده باشد.

قطعه آخر پازل آزمایشی بود که سال 1949 بدست اروین چارگف (Erwin Chargaff) انجام شده بود و سال 1952 به ملاقات گروه کاوندیش آمد. او نشان داده بود تعداد بازهای A با تعداد بازهای T برابر است و همچنین تعداد بازهای C و G هم مقدار مشابه هم دارند. واتسون و کریک دریافتند بازهای A همیشه باید به بازهای T پیوند خورده باشند؛ موضوعی که برای بازهای C و G هم صادق بود. این ویژگی باعث شکل گیری نوعی مارپیچ نردبانی می شد که بازهای جفت شده در نقش پله های نردبان و ستون فقرات قند فسفات در نقش پله های نردبان ظاهر می شدند.

مدل تکمیل شده بود. وقتی گروه کینگز کالج این بار برای بازدید آمدند، بی درنگ مدل را پذیرفتند. واتسون بعدها در این باره نوشت: «پذیرش بی درنگ مدل ما بوسیله روزالیند ابتدا من را شگفت زده کرد. با وجود این، او پذیرفت که این ساختار بیش از حد زیبا بود که بخواهد درست نباشد.»

بیشتر بدانید…

مولکول ساده ای که با نام DNA می شناسیم در تمام یاخته های بدن ما وجود دارد.

منابع

1. محمود حاج زمان. مجله دانستنیها.