DNA چیست؟ | ساختار مولکول DNA و اجزای آن چگونه است؟زمان مطالعه ۱۱ دقیقه

ایده‌های شاخص واتسون و کریک تا حد زیادی بر کار سایر دانشمندان متکی بود. این دو در واقع چه چیزی را کشف کردند؟

بسیاری معتقدند که جیمز واتسون، زیست‌شناس آمریکایی و فرانسیس کریک، فیزیکدان انگلیسی، در دهه ۱۹۵۰ متوجه شدند DNA چیست؟ در واقعیت اینطور نیست. بلکه DNA اولین بار در اواخر دهه ۱۸۶۰ توسط شیمیدان سوئیسی به نام فردریش میشر شناسایی شد. سپس، در دهه‌های پس از کشف میشر، دانشمندان دیگر، به ویژه فیبوس لوین و اروین چارگاف-چ مجموعه‌ای از تحقیقات را انجام دادند که جزئیات بیشتری در مورد مولکول DNA، از جمله اجزای شیمیایی اولیه آن و راه‌های پیوند آنها را آشکار کرد. بدون پایه علمی‌ارائه شده توسط این پیشگامان، واتسون و کریک ممکن است هرگز به نتیجه گیری اساسی خود در سال ۱۹۵۳ نرسیده باشند: اینکه DNA چیست؟ و مولکول DNA به شکل یک مارپیچ دوبعدی سه بعدی وجود دارد. 

اولین قطعه پازل: میشر DNA را کشف کرد

سال ۱۸۶۹ یک سال برجسته در تحقیقات ژنتیکی بود، زیرا در آن سال فردریش میشر، شیمی‌دان فیزیولوژیکی سوئیسی ابتدا آنچه را که او «نوکلئین» می‌نامید، در داخل هسته گلبول‌های سفید خون انسان شناسایی کرد. اصطلاح «نوکلئین» بعداً به «اسید نوکلئیک» و در نهایت به «اسید دئوکسی ریبونوکلئیک» یا «DNA» تغییر یافت.  میشر ترتیبی داد تا یک کلینیک جراحی محلی برای او باندهای بیمار استفاده شده با چرک را ارسال کند. هنگامی‌که بانداژها را دریافت کرد، قصد داشت آنها را بشوید، لکوسیت‌ها را فیلتر کرده و پروتئین‌های مختلف موجود در گلبول‌های سفید را استخراج و شناسایی کند. اما وقتی با ماده‌ای از هسته‌های سلولی برخورد کرد که برخلاف سایر پروتئین‌ها دارای خواص شیمیایی بود، از جمله محتوای فسفر بسیار بالاتر و مقاومت در برابر پروتئولیز (هضم پروتئین)، متوجه شد که ماده جدیدی را کشف کرده‌است. او با درک اهمیت یافته‌های خود، نوشت: «به نظر من محتمل است که یک خانواده کامل از چنین مواد حاوی فسفر کمی متفاوت، به عنوان گروهی از نوکلئین‌ها، معادل پروتئین‌ها ظاهر شوند».

بیش از ۵۰ سال گذشت تا اینکه اهمیت کشف اسیدهای نوکلئیک توسط میشر توسط جامعه علمی مورد استقبال گسترده قرار گرفت. به عنوان مثال، اروین چارگاف در مقاله‌ای در سال ۱۹۷۱ در مورد تاریخچه تحقیقات اسید نوکلئیک، خاطر نشان کرد که در شرح تاریخی ۱۹۶۱ از علم قرن نوزدهم، از چارلز داروین ۳۱ بار و از توماس‌ هاکسلی ۱۴ بار نام برده شده است اما نام میشر حتی یک بار هم ذکر نشده است. با این وجود، کشف میشر در مورد اسیدهای نوکلئیک در بین اکتشافات چهار جزء اصلی سلولی (یعنی پروتئین‌ها، لیپیدها، پلی ساکاریدها و اسیدهای نوکلئیک) منحصر به فرد است.

زمینه سازی؛ لوون ساختار DNA را بررسی می‌کند

در همین حین، حتی زمانی که نام میشر در قرن بیستم مبهم بود، دانشمندان دیگر به بررسی ماهیت شیمیایی مولکول که قبلا به نام نوکلئین معروف بود، ادامه دادند. یکی از این دانشمندان دیگر، فیبوس لوون، بیوشیمی‌دان روسی بود. او که یک پزشک شیمی‌دان بود، یک محقق پرکار نیز بوده است و بیش از ۷۰۰ مقاله در مورد شیمی مولکول‌های بیولوژیکی در طول دوران حرفه‌ای خود منتشر کرد. لوون به واسطه بسیاری از «اولین‌ها» اعتبار دارد. به عنوان مثال، او اولین کسی بود که ترتیب سه جزء اصلی یک نوکلئوتید (فسفات- قند- پایه) را کشف کرد. اولین کسی که جزء کربوهیدرات RNA (ریبوز) را کشف کرد. اولین کسی که جزء کربوهیدرات DNA (دئوکسی ریبوز) را کشف کرد. و اولین کسی که نحوه ترکیب مولکولهای RNA و DNA را به درستی تشخیص داد و در آخر اولین کسی بود که به سوال DNA چیست؟ پاسخ داد.

در سالهای اولیه کار، نه لوون و نه هیچ دانشمند دیگر آن زمان نمی‌دانستند که چگونه اجزای نوکلئوتیدی DNA در فضا قرار می‌گیرند. کشف ستون فقرات قند فسفات مولکول DNA هنوز سال‌ها با ما فاصله داشت. تعداد زیادی از گروه‌های مولکولی که برای اتصال هر جزء نوکلئوتیدی در دسترس هستند به این معنی است که روش‌های متناوب متعددی برای ترکیب اجزا وجود دارد. چندین دانشمند پیشنهاداتی در مورد چگونگی وقوع این امر ارائه کردند، اما این مدل «پلی نوکلئوتید» لووین بود که ثابت کرد که مدل درستی است.

براساس سال‌ها کار با استفاده از هیدرولیز برای تجزیه و تجزیه و تحلیل اسیدهای نوکلئیک مخمر، لوون پیشنهاد کرد که اسیدهای نوکلئیک از یک سری نوکلئوتیدها تشکیل شده است و هر نوکلئوتید به نوبه خود فقط از یکی از چهار باز حاوی نیتروژن، یک مولکول قند و گروه فسفات تشکیل شده است. لوون پیشنهاد اولیه خود را در سال ۱۹۱۹ ارائه داد و پیشنهادات دیگری را که در مورد ساختار اسیدهای نوکلئیک ارائه شده بود، بی‌اعتبار کرد. به قول خود لوون :«حقایق جدید و شواهد جدید ممکن است باعث تغییر آن شوند، اما در ساختار پلی نوکلئوتیدی اسید نوکلئیک مخمر شکی نیست».

در واقع، بسیاری از حقایق جدید و شواهد بسیار جدید به زودی ظاهر شدند و باعث تغییراتی در پیشنهاد لوون شدند. یک کشف کلیدی در این دوره شامل نحوه ترتیب نوکلئوتیدها بود. لوون آنچه را که ساختار تترانوکلئوتیدی نامید، پیشنهاد کرد، که در آن نوکلئوتیدها همیشه به ترتیب (به عنوان مثال G-C-T-A-G-C-T-A و غیره) به هم پیوند خورده بودند. با این حال، دانشمندان سرانجام دریافتند که ساختار تترانوکلئوتیدی پیشنهادی لوون بیش از حد ساده است و ترتیب نوکلئوتیدها در امتداد بخشی از DNA (یا RNA) در واقع بسیار متغیر است. با وجود این درک، ساختار پلی نوکلئوتیدی پیشنهاد شده لوون از بسیاری جهات دقیق بود. 

جمع آوری شواهد در کنار هم؛ واتسون و کریک دو حلقه را پیشنهاد می‌دهند

درک شارگاف مبنی بر اینکه A = T و C = G، همراه با برخی از کارهای مهم کریستالوگرافی اشعه ایکس توسط محققان انگلیسی روزالیند فرانکلین و موریس ویلکینز، به واتسون و کریک در ساخت مدل سه بعدی و دو مارپیچ برای ساختار کمک کرد. DNA کشف واتسون و کریک نیز با پیشرفت‌های اخیر در ساخت مدل یا مونتاژ ساختارهای سه بعدی احتمالی بر اساس فاصله‌های مولکولی و زوایای پیوند امکان پذیر شد، تکنیکی که توسط لینوس پاولینگ، بیوشیمی‌دان آمریکایی توسعه یافته‌ است. در حقیقت، واتسون و کریک نگران بودند که پاولینگ آنها را «اسکوپ» نکند و او چند ماه قبل از این کار مدلی متفاوت برای ساختار سه بعدی DNA پیشنهاد کرد. اما در نهایت، پیش بینی پاولینگ نادرست بود.

واتسون و کریک با استفاده از برش‌های مقوایی که نمایانگر اجزای شیمیایی جداگانه چهار پایه و زیرواحد نوکلئوتیدی هستند، مولکول‌ها را روی میز کار خود جابجا کردند، گویی یک پازل را کنار هم قرار داده‌اند. آنها برای مدتی با درک اشتباه نحوه تنظیم عناصر مختلف تیمین و گوانین (به ویژه حلقه‌های کربن، نیتروژن، هیدروژن و اکسیژن) گمراه شدند. تنها با پیشنهاد دانشمند آمریکایی جری دونوهو، واتسون تصمیم گرفت مقوای جدیدی از مقوا را برای این دو پایه بسازد تا ببیند که آیا ممکن است پیکربندی اتمی متفاوتی ایجاد کند. انجام داد. در حال حاضر نه تنها پایه‌های مکمل کاملاً با هم (به عنوان مثال A با T و C با G) کنار هم قرار می‌گیرند، که هر جفت توسط پیوندهای هیدروژنی در کنار هم قرار گرفته‌اند، بلکه ساختار قانون منعکس کننده چارگف نیز هست.

در واقع واتسون و کریک کاشف DNA نبودند، بلکه اولین دانشمندانی بودند که توصیف دقیقی از ساختار پیچیده و مارپیچی این مولکول ارائه کردند. علاوه بر این، کار واتسون و کریک به تحقیقات بسیاری از دانشمندان قبل از آنها وابسته بود، از جمله فردریش میشر، فیبوس لوون و اروین چارگاف. خوشبختانه به لطف تلاش‌های این افراد، ما در حال حاضر اطلاعات زیادی در مورد ساختار ژنتیکی داریم و پیشرفت‌های بزرگی را در درک ژنوم انسان و اهمیت DNA برای زندگی و سلامتی ادامه می‌دهیم.

منبع: Genome.gov، Nature