70 lat temu ogłoszono strukturę DNA

Już od 70 lat wiemy, że podwójna spirala kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) to szyfr życia, choć nie rozumiemy jeszcze wszystkich zakodowanych w nim przekazów. 28 lutego 1953 w porze lunchu do pubu "Eagle" w Cambridge weszło dwóch mężczyzn. Ogłosili, że poznali tajemnicę życia. James Watson i Francis Crick mieli dużo racji.

25 kwietnia 1953 na łamach "Nature" ukazał się ich historyczny, choć zaledwie jednostronicowy artykuł, opisujący strukturę DNA - podwójną helisę (czyli "przestrzenną spiralę"). Prace nad tym zagadnieniem przyniosły obu naukowcom oraz współpracującemu z nimi Maurice’owi Wilkinsowi Nagrodę Nobla w roku 1962. Podwójna helisa DNA stała się jednym z najbardziej znanych motywów popkultury. A w roku 2003, w 50. rocznicę odkrycia na ścianie pubu w Cambridge umieszczono okolicznościową tabliczkę.

Kluczem do poznania struktury DNA były zdjęcia wykonane metodą krystalografii rentgenowskiej przez Rosalind Franklin i Maurice'a Wilkinsa (niestety, Rosalind Franklin nie doczekała Nobla - zmarła na raka w roku 1958).

Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA), zwany wówczas nukleiną, został odkryty w roku 1869 przez Friedricha Mieschera w ropie ze szpitalnych bandaży i spermie ryb. Wiadomo było, że tworzy w jądrach komórek charakterystyczne twory – chromosomy. Ponieważ u każdego organizmu skład DNA jest w zasadzie identyczny, nie wydawał się ważną dla procesów dziedziczenia substancją. Naukowcy sądzili, że to raczej miliony niezwykle różnorodnych białek odpowiadają za ogromne zróżnicowanie świata żywego.

Jednak Watson i Crick wyjaśnili, że w przypadku DNA liczy się nie tyle skład chemiczny, ile struktura, pozwalająca na zapis i powielanie informacji. Podwójna helisa DNA składa się z tylko z czterech rodzajów nukleotydów (A,C,T,G), jednak liczba możliwych kombinacji jest praktycznie nieskończona – tak jak zapis dwójkowy wystarcza do zapisania wszystkich danych w Internecie. Całą wiedzę ludzkości można by zapisać w kilku gramach DNA.

W latach 60. XX wieku udało się ustalić, że istnieje kod genetyczny – trzy kolejne zasady azotowe w łańcuchu DNA kodują jeden aminokwas – element budowy białek. W ludzkim DNA jest ponad 3 mld nukleotydów. Kodują informacje dotyczące białek, których współdziałanie decyduje na przykład o kolorze oczu, kształcie twarzy czy zdrowiu człowieka.

Dopiero w roku 2012 Enzo di Fabrizio ukazał wygląd helisy DNA dzięki zdjęciom z mikroskopu elektronowego.

Później ustalono, że dzięki odpowiednim enzymom można przecinać DNA w określonych miejscach. Z czasem stało się możliwe modyfikowanie organizmów żywych - początkowo bakterii, a później nawet ssaków. Powstały też techniki odczytywania (sekwencjonowania) DNA, co umożliwiło w latach 1990-2001 poznanie ludzkiego genomu.

Większość tych prac realizowano w ramach projektu "Human Genome Project", którego celem stało się spisanie pełnej sekwencji ludzkiego DNA. Jego wyniki ogłoszono 25 kwietnia 2023. Wtedy też amerykański Senat proklamował "Narodowy Dzień DNA". Miało to być jednorazowe święto, upamiętniające 50 lat odkrycia DNA - stało się jednak nieoficjalnym świętem biologów molekularnych. "DNA DAY" jest corocznie obchodzony m.in. przez National Human Genome Research Institute, ale także European Society of Human Genetics.

Pierwotny projekt sekwencjonowania całego ludzkiego genomu wymagał ponad 10 lat badań. Nowe metody badawcze pozwalają sekwencjonować cały genom stosunkowo niewielkim kosztem zaledwie w 7 dni. Dzięki znajomości genomu konkretnej osoby można przewidzieć ryzyko zachorowania na daną chorobę, co daje szansę zastosowania odpowiedniej profilaktyki. Jeśli choroba już się rozwinęła, znajomość jej genetycznego podłoża ułatwia zastosowanie najwłaściwszej terapii oraz opracowanie nowych leków lub dobór leków już istniejących, ale stosowanych z innych wskazań.

Z okazji "genetycznej" rocznicy eksperci i organizatorzy kampanii edukacyjnej „Genetyka Ratuje Życie” przedstawiają ciekawostki na temat DNA. W materiale prasowym przesłanym Nauce w Polsce przypominają oni, że przeciętna komórka jest 10 razy mniejsza od ziarenka piasku. Ciasno zwinięte DNA znajduje się w jej jądrze. Cieniutka nić DNA z jednej ludzkiej komórki mierzy w sumie około 2 metrów, ale gdyby połączyć wszystkie z całego organizmu, osiągnęłyby w sumie kilka milionów kilometrów długości i 700 g wagi.

W 700 gramach DNA zapisanych jest prawie 500 000 TB danych, w 1 gramie materiału genetycznego - ponad 700 TB danych. 700 TB odpowiada około 233 dyskom przenośnym o pojemności 3 TB, które mogą ważyć ponad 150 kg (do zapisania danych z 700 gramów DNA potrzeba by jakichś 100 ton twardych dysków). DNA można by wykorzystać jako pojemny i samopowielający się, choć niełatwy do odczytania nośnik pamięci. Na przykład w roku 2017 naukowcy z Harvardu zapisali w genomie pospolitej bakterii jelitowej Escherichia coli krótki film animowany.

DNA w ludzkiej komórce podzielone jest na 46 chromosomów, z których największym jest chromosom 1 - zawiera około 8 proc. całej informacji genetycznej człowieka, ponad 3 tysiące genów, złożonych z ponad 249 mln nukleotydów, jednostek budujących DNA.

Najprostsze bakterie mają po kilkaset genów, podczas gdy kręgowce i rośliny - nawet kilkadziesiąt tysięcy. Jednak nie ma prostej zależności między stopniem skomplikowania organizmu a liczbą genów.

Tylko 7 proc. naszego genomu jest unikalne dla gatunku homo sapiens. Ponad 90 proc. ludzkiego genotypu przypomina geny m.in. Homo neanderthalensis. Mamy wiele tych samych genów, które posiadali także denisowanie i inni przedstawiciele przodków Homo sapiens.

Choć od każdego z rodziców dostajemy po 23 chromosomy, po wymieszaniu materiału genetycznego u dziecka uwidocznią się cechy, za które odpowiadają geny dominujące. Czynniki środowiskowe, a także składniki odżywcze mogą wpływać na aktywność genów.

Geny, które kodują białka, decydujące o wyglądzie i funkcji komórek, to tylko 1-2 proc. ludzkiego genomu, to znaczy około 20 tys. genów - tyle samo co na przykład myszy. W latach 90. XX wieku naukowcy przypuszczali, że człowiek powinien ich posiadać minimum 100 tys.

Do roku 2012 sądzono, że niekodująca białek część DNA nie pełni żadnej istotnej roli. Jak jednak ujawnił projekt ENCODE, około 80 proc. ludzkiego genomu to sekwencje o określonych funkcjach biologicznych.

Każdy człowiek jest nosicielem 7-10 mutacji genetycznych. Część z nich jest przekazywana z pokolenia na pokolenie, ale część powstaje spontanicznie jako nowa mutacja.

W przypadku niektórych chorób ryzyko zachorowania jest uwarunkowane genetycznie aż w 40-50 proc. To na przykład choroba Leśniowskiego-Crohna, celiakia i zwyrodnienie plamki żółtej. W niewielkim stopniu zależą od genów chociażby nowotwory, cukrzyca i choroba Alzheimera.

Spośród chorób rzadkich, których znamy na razie 6 do 8 tysięcy, podłoże genetyczne ma ok. 80 proc. Lista chorób rzadkich jest otwarta - zawsze istnieje możliwość mutacji genetycznej, która spowoduje nową chorobę.

Około 5-10 proc. nowotworów jest spowodowanych mutacjami genetycznymi odziedziczonymi od rodziców.

We wcześniejszej rozmowie z Nauką w Polsce prof. Paweł Golik, genetyk, dyrektor Instytutu Genetyki i Biotechnologii Uniwersytetu Warszawskiego podkreślał, że gdy Rosalind Franklin, James Watson i Francis Crick zaczęli poznawać strukturę DNA - "nie myśleli od razu o terapii genowej, badaniu chorób i biotechnologii. Oni po byli ciekawi, jak ta cząsteczka wygląda. Wszystko inne przyszło z czasem".

Z czasem analiza DNA znalazła wiele zastosowań, m.in. w kryminalistyce – początkowo przy identyfikacji sprawców gwałtów czy ofiar morderstw, z czasem pojawiły się także dużo tańsze testy pozwalające potwierdzić czy wykluczyć ojcostwo – zestawy umożliwiające pobranie próbki można kupić w aptece i wysłać materiał do odpowiedniego laboratorium.

Doszło do tego, że można na podstawie DNA z psiej kupy zidentyfikować sprawcę zabrudzenia miejsca publicznego i ukarać mandatem jego właściciela, nie mówiąc już o śledzeniu podrabianej wołowiny z mięsa końskiego w dyskontach całej Europy. Techniki badania DNA używane przez paleontologów stały się na tyle dobre, że mówi się o możliwości sklonowania wymarłych gatunków, np. mamuta, a nawet naszego kopalnego krewnego, neandertalczyka (choć jak dowodzi przykład „Parku Jurajskiego”, niektórym od dawna marzą się sklonowane dinozaury).

Jednak wciąż jest daleko do poznania i wykorzystania wszystkich tajemnic DNA. Nawet ludzie mogą się między sobą istotnie różnić pod względem genetycznym, a co dopiero mówić o innych organizmach żywych.

Dzięki niezwykłym białkom powstającym według instrukcji zapisanych w ich DNA, pająki potrafią wytwarzać nici mocniejsze od stali, bakterie żyją w wysokich temperaturach, toksycznych chemikaliach i promieniotwórczych odpadach, wielbłądy potrafią niezwykle długo obywać się bez wody, a szczuroskoczki pustynne w ogóle nie piją, zadowalając się wodą, powstającą z pokarmów w procesach metabolicznych.

Żaby mogą zamarznąć, a później odtajać i żyć dalej, wielu płazom odrastają kończyny, wielkie małże żyją setki, a drzewa - tysiące lat. Teoretycznie znając w pełni DNA można będzie kiedyś nie tylko zlikwidować choroby genetyczne, hodować nowe narządy, dobierać idealnie lek do pacjenta - ale i zmienić nasz gatunek nie do poznania. Przyszłość pokaże, czy tak się stanie. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/