Η Ιστορία του DNA: Από την Αρχαία Ελλάδα μέχρι τους Watson και Crick

Η ιστορία του DNA ξεκινά από το 5000 π.Χ. όταν οι άνθρωποι ξεκίνησαν για πρώτη φορά να αναπαράγουν επιλεκτικά τα φυτά και τα ζώα κτηνοτροφίας με σκοπό να δημιουργήσουν πιο ανθεκτικά είδη. Έκτοτε, σε διάφορα σημεία της ιστορίας έγιναν σημαντικές ανακαλύψεις σχετικά με το DNA και την κληρονομικότητα οι οποίες αποτέλεσαν τη βάση για όσα γνωρίζουμε σήμερα. Στο παρόν άρθρο θα γίνει μία αναδρομή στις σημαντικότερες από αυτές μέχρι και την ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA από τους Watson και Crick.

Αρχαία Ελλάδα

Η ιδέα της κληρονομικότητας στον άνθρωπο εξερευνήθηκε από έλληνες φιλοσόφους και συγκεκριμένα από τον Αριστοτέλη ο οποίος υποστήριξε ότι τα χαρακτηριστικά που αναπτύσσει ένας οργανισμός κατά τη διάρκεια της ζωής του μπορούν να μεταβιβαστούν στους απογόνους του. Απέρριψε ωστόσο τη θεωρία της «πανγένεσης» η οποία είχε αναπτυχθεί από προηγούμενους φιλοσόφους.

Gregor Mendel: Ο ‘Πατέρας της Γενετικής’

Η πρώτη ουσιαστικά στοχευμένη έρευνα για το DNA ξεκίνησε πρακτικά από τον Αυγουστινιανό μοναχό Gregor Mendel, ο οποίος θεωρείται ο «πατέρας της γενετικής» καθώς οι ανακαλύψεις του ουσιαστικά όρισαν τις βάσεις για τη γενετική με τη μορφή που την γνωρίζουμε σήμερα.

Ο Mendel ήταν ένας μοναχός που έκανε αρκετά πειράματα  με μπιζέλια το 1857. Επέλεξε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των παραπάνω φυτών και για κάθε χαρακτηριστικό (ή φαινότυπο) απομόνωσε οικογένειες φυτών που ήταν καθαρές και είχαν απογόνους πανομοιότυπους με το φυτό-γονέα.

Ο Mendel στη συνέχεια χρησιμοποίησε τα καθαρά αυτά φυτά σε νέα πειράματα στα οποία έκανε διασταυρώσεις φυτών με διαφορετικά χαρακτηριστικά θέλοντας να εξετάσει με ποιο τρόπο τα χαρακτηριστικά μεταβιβάζονται στους απογόνους τους. Επανέλαβε τα πειράματα αυτά σε δύο γενιές φυτών και διαπίστωσε ότι τα χαρακτηριστικά μεταβιβάζονται με συνέπεια. Αυτό του επέτρεψε να αναπτύξει θεωρίες για τους παραπάνω τρόπους μεταβίβασης. Κατέληξε έτσι σε 4 σημαντικές αρχές σχετικά με την κληρονομικότητα:

  • Τα κληρονομικά χαρακτηριστικά λέγονται γονίδια.
  • Τα γονίδια υπάρχουν σε ζεύγη τα οποία λέγονται αλληλόμορφα και μπορεί να είναι επικρατή ή υπολειπόμενα.
  • Τα γονίδια διαχωρίζονται στους γαμέτες οι οποίοι μεταφέρουν πάντοτε ένα μόνο από τα 2 γονίδια ενός ζεύγους.
  • Η γονιμοποίηση, κατά την οποία δύο γαμέτες ενώνονται, είναι μία τυχαία διαδικασία.

Friedrich Miescher και Richard Altmann

Ο ελβετός γιατρός Friedrich Miescher ανακάλυψε μία ουσία που ονόμασε ‘νουκλεΐνη’ το 1869. Για την ανακάλυψη αυτή είχε αναπτύξει ένα πρωτόκολο που του επέτρεπε να απομονώσει το DNA. Αργότερα, απομόνωσε ένα πιο καθαρό δείγμα του ίδιου υλικού από το σπέρμα του σολομού. Αυτό αποτέλεσε τη βάση της μελέτης που δημοσίευσε το 1871. Το 1889, ο μαθητής του, Richard Altmann μετονόμασε τη νουκλεΐνη σε «νουκλεϊκό οξύ».  Η ουσία αυτή υπήρχε μόνο στα χρωμοσώματα. Η ανακάλυψη αυτή είχε βασιστεί σε προηγούμενες μελέτες από τον Walter Flemming, έναν επιστήμονα που περιέγραψε τη μορφή και συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων το 1882.

Theodor Boveri και Walter Sutton

Το 1902, ο Theodor Boveri και ο Walter Sutton διατύπωσαν τη θεωρία ότι τα χρωμοσώματα δεν αποτελούν απλά φορείς των κληρονομικών χαρακτηριστικών, αλλά έχουν δομή τέτοια έτσι ώστε συγκεκριμένες περιοχές τους να αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Ο Boveri κατέληξε στο παραπάνω συμπέρασμα εξετάζοντας τη συμπεριφορά των χρωμοσωμάτων κατά την κυτταρική διαίρεση και το σχηματισμό γαμετών. Ο Sutton αργότερα τόνισε ότι η παρατήρηση αυτή συμφωνεί με τα ευρήματα του Mendel. Αυτό αποτέλεσε τη βάση της κυτταρογενετικής η οποία περιγράφει τη δομή, τη λειτουργία και την κληρονομικότητα των χρωμοσωμάτων.

Frederick Griffith

Ο Frederick Griffith ήταν ένας επιστήμονας που απέδειξε ότι το DNA αποτελεί το μόριο της κληρονομικότητας μέσω ενός πειράματος που έκανε το 1928. Το πείραμα του Griffith περιελάμβανε ποντίκια και δύο είδη πνευμονίας, εκ των οποίων η μία ήταν λοιμογόνος πνευμονία με τραχεία εμφάνιση, ενώ η άλλη ήταν μη λοιμογόνος και χαρακτηρίζεται από ένα λείο περίβλημα. Η έγχυση της πνευμονίας σε ένα ποντίκι προκαλούσε το θάνατό του.

Το δεύτερο είδος πνευμονίας δεν προκαλούσε το θάνατο στα ποντίκια. Ωστόσο, ο Griffith παρατήρησε ότι όταν αναμιχθεί ένα νεκρό λοιμογόνο στέλεχος με ένα ζωντανό στέλεχος της μη λοιμογόνου πνευμονίας, η τελευταία μετατρέπεται στην πρώτη και προκαλούσε επίσης το θάνατο στα ποντίκια.

Όταν απομόνωσε τα βακτήρια από τα νεκρά ποντίκια, παρατήρησε ότι τα βακτήρια είχαν πλέον ένα λείο περίβλημα. Αυτό επιβεβαίωσε ότι τα μη λοιμώδη βακτήρια με το λείο περίβλημα είχαν αποκτήσει ορισμένες ουσίες από τα λοιμώδη βακτήρια. Ονόμασε την ουσία αυτή «μετατρεπτική αρχή», όρος ο οποίος χαρακτηρίζε το μόριο της κληρονομικότητας.

Phoebus Levene

Το 1928, ο Phoebus Levene από το Ινστιτούτο Rochefeller ταυτοποίησε τα συστατικά του DNA. Τα συστατικά αυτά είναι:

  1. Οι 4 βάσεις
    • Αδενίνη (Α)
    • Κυτοσίνη (C)
    • Γουανίνη (G)
    • Θυμίνη (T)
  2. Σάκχαρα
  3. Φωσφορικό

Έδειξε επίσης ότι τα συστατικά αυτά συνδέονται με τη σειρά φωσφορικό-σάκχαρο-βάση. Ξεχώρισε επίσης τους δύο τύπους ριβόζης, δηλαδή τη δεοξυριβόζη και τη ριβόζη. Ο Levene ονόμαστε ‘νουκλεοτίδιο’ τη διάταξη φωσφορικού-σακχάρου-βάσης.

Ο Levene πίστευε, ωστόσο, ότι η αλυσίδα ήταν μικρή και ότι οι βάσεις επαναλαμβάνονται στην ίδια σειρά. Ο Torbjorn Caspersson και ο Einar Hammersten ήταν αυτοί που έδειξαν για πρώτη φορά ότι το DNA ήταν στην πραγματικότητα ένα πολυμερές.

Oswald Avery

Ο Oswald Avery συνέχισε το πείραμα του Griffith και συνέλεξε δεδομένα που δείχνουν ότι η ακεραιότητα της κάψουλας ήταν απαραίτητη για τη λοιμογόνο δράση. Χρησιμοποίησε μία νέα μέθοδο μετατροπής μη λοιμογόνων βακτηρίων σε λοιμογόνα βακτήρια με κάψουλα, εκτελώντας το ίδιο πείραμα σε καλλιέργεια και όχι σε ποντίκια. Ο Avery και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν την εις άτοπον απαγωγή για να εξετάσουν καλύτερα τη «μετατρεπτική αρχή».

Ο Avery χρησιμοποίησε υδρολυτικά ένζυμα που στοχεύουν είτε το DNA είτε το RNA. Μετά τη χορήγηση των παραπάνω, τα προϊόντα της διαδικασίας αυτής αναμίχθηκαν με τραχεία, μη λοιμώδη στελέχη. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η μετατροπή των στελεχών αυτών συνέβη με όλα τα παράγωγα, εκτός από αυτά που είχαν αναμιχθεί με DNAαση. Αυτό έδειξε ότι το DNA (και κανένα άλλο συστατικό) ήταν ο «μετατρεπτικός παράγοντας» και βρήκε έτσι τη βάση της κληρονομικότητας.

Colette και Roger Vendrely και Andre Boivin

Το 1949 ο Andre Boivin και οι μαθητές του Colette και Roger Venderly ανακάλυψαν ότι ο πυρήνας των γαμετικών κυττάρων περιέχει τη μισή ποσότητα DNA σε σχέση με τα υπόλοιπα κύτταρα του οργανισμού. Αυτό έδειξε ότι το γενετικό υλικό ήταν σταθερό σε όλα τα κύτταρα του οργανισμού αλλά και τα μέλη του ιδίου είδους. Η σταθερότητα αυτή αποδίδεται στη γαμετογένεση. Προσέφεραν έτσι ακόμα περισσότερα δεδομένα που δείχνουν ότι το DNA ήταν η «μετατρεπτική αρχή».

Erwin Chargaff και ο κανόνας του Chargaff

Το 1940, ο Erwin Chargaff διαπίστωσε ότι η αναλογία των βάσεων (δηλαδή της αδενίνης, της γουανίνης, της κυτοσίνης και της θυμίνης) διαφέρει στα διάφορα είδη. Επίσης η ποσότητα της αδενοσίνης είναι πάντοτε ίση με αυτή της θυμίνης, ενώ το ίδιο ισχύει και για τις ποσότητες της κυτοσίνης οι οποίες είναι πάντοτε ίσες με αυτές της γουανίνης. Η ανακάλυψη αυτή έγινα αργότερα γνωστή ως ο κανόνας του Chargaff.

Rosalind Franklin

Το 1952, η βρετανή ερευνητής Rosalind Franklin κρυσταλλοποίησε ένα μόριο DNA. Από τις απεικονίσεις ακτίνων Χ, η Franklin έδειξε ότι το DNA είχε μία επαναλαμβανόμενη ελικοειδή μορφή. Οι απεικονίσεις επέτρεψαν να υπολογιστεί με σαφήνεια ο μοριακός χώρος που καταλαμβάνει το DNA.

James Watson και Francis Crick

Χρησιμοποιώντας ως βάση την έρευνα της Franklin, δύο επιστήμονες, ο James Watson και ο Francis Crick, δημιούργησαν ένα μοντέλο της δομής του DNA σχεδόν 2 χρόνια αργότερα.

Το μοντέλο τους ήταν μία διπλή έλικα που αποτελείται από ζευγάρια βάσεων τα οποία συνδέουν τις δύο έλικες. Ήταν δυνατό να υπολογιστεί ο αριθμός των βάσεων σε κάθε στροφή της έλικας καθώς και η απόσταση μεταξύ των βάσεων. Επιπλέον ήταν σαφές ότι τα ζεύγη των βάσεων δεν ήταν τυχαία. Επιβεβαίωσαν δηλαδή ότι η Αδενίνη πάντοτε συνδέεται με Θυμίνη και η Γουανίνη πάντοτε συνδέεται με Κυτοσίνη, γεγονός που συμφωνούσε με τον κανόνα του Chargaff.

Ανακαλύψεις μετά την Διπλή Έλικα

Μία δεκαετία αργότερα, ο Robert Holley, ο Har Gobind Khorana και ο Marshall Nirenberg κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ για τη μελέτη τους στον τρόπο που το DNA συνδέεται με την πρωτεϊνική σύνθεση. Ήταν οι πρώτοι που έδειξαν ότι η πληροφορία μεταφράζεται από το DNA σε RNA και στη συνέχεια από αυτό παράγονται πρωτεΐνες.

Το 1977, ο Frederick Sanger, ο Allan Maxam και ο Walter Gilbert ανέπτυξαν μεθόδους για την ανάλυση της αλληλουχίας του DNA. Η εργασία τους συμπληρώθηκε το 1983 από τον Kary Mullis ο οποίος ανακάλυψε την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης για τον πολλαπλασιασμό συγκεκριμένων τμημάτων DNA. Οι μέθοδοι αυτοί άνοιξαν το δρόμο για την ανάλυση του ανθρωπίνου γονιδιώματος που ξεκίνησε το 1990 και ολοκληρώθηκε 13 χρόνια αργότερα.

Σήμερα, η έρευνα για το DNA συνεχίζεται και εξερευνώνται τρόποι για την «τροποποίηση» του γονιδιώματος, με τη χρήση νέων μεθόδων που αλλάζουν την πληροφορία που κωδικοποιείται με μεγάλη ειδικότητα. Προσπαθούμε επίσης να κατανοήσουμε πώς και γιατί η συμπεριφορά του γονιδιώματος διαφέρει σε κάθε άτομο.

Ακολουθήστε μας στο Google News για την έγκυρη επιστημονική ενημέρωσή σας, έγκαιρα!

Μην χάσετε:
Σχετικά Αρθρα