Που τα ξέρουμε όλα αυτά;

Το «προσωπικό μας DNA». Περιέχει τα γονίδια που ελέγχουν τη δομή και τη λειτουργία του δικού μας σώματος, καθορίζει τη μοναδικότητά μας. Απομακρυνόμαστε από τον εαυτό μας, αντικρίζουμε το είδος ΑΝΘΡΩΠΟΣ και μιλάμε για «το ανθρώπινο DNA». Συγκροτείται από ένα «περίπου» εκατομμύριο άτομα. Και λέμε «περίπου» γιατί το δικό μας DNA δεν είναι ίδιο με το αντίστοιχο οποιουδήποτε άλλου

ανθρώπου. Κι όταν μιλάμε για το ανθρώπινο DNA «μας» εξυπακούεται ότι δεν ξεχνάμε και το DNA «εκείνων», δεν ξεχνάμε δηλαδή τους ξιφίες, τις πεταλούδες, τις κερασιές, τους κέδρους και τις γάτες μας. Κάτοικοι και αυτοί της Βιόσφαιρας έχουν ο καθένας το δικό του DNA.

Ωστόσο, θεωρούμε ως ένα είδος «αλήθειας» το ότι τα άτομα του οποιουδήποτε DNA είναι όλα άτομα πέντε μόνο στοιχείων.

Υδρογόνου, Ανθρακα, Αζώτου, Οξυγόνου και Φωσφόρου.

και ότι τα άτομα αυτά συγκροτούν τα τρία είδη μορίων από το οποία αποτελείται το DNA. Μόρια φωσφορικού οξέως, μόρια του σακχάρου δεοξυριβόζη και ετεροκυκλικές ενώσεις οι οποίες αναφέρονται ως βάσεις και είναι η αδενίνη (Α), η θυμίνη (Τ), η γουανίνη (G ) και η κυτοσίνη (C).

Ένα βέβαια βασικό ερώτημα είναι: «Που τα ξέρουμε όλα αυτά;»

Οι Φυσικοί.

Για την οικοδόμηση των σημερινών μας γνώσεων για το για το DNA έναν ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο έπαιξαν οι φυσικοί. Η άκρη του νήματος βρίσκεται στο έτος 1912 και στην ιδέα ότι οι ακτίνες Χ θα μπορούσαν να αποτελέσουν ένα εξαιρετικό «εργαλείο» για την έρευνα της εσωτερικής δομής της ύλης. Ήταν δηλαδή έτος 1912 όταν ο Γερμανός o Max von Laue ανακάλυψε την περίθλαση των ακτίνων Χ. Τον επόμενο χρόνο ο Αγγλος Laurence Bragg τη χρησιμοποίησε για την έρευνα της δομής των απλών κρυστάλλων NaCl και KCl. Οι έρευνες αυτές είχαν σοβαρότατες συνέπειες. Η επιστήμη της Κρυσταλλογραφίας αναμορφώθηκε ολοκληρωτικά και μαζί της οι γνώσεις μας για τη στερεά κατάσταση. Για 10000 περίπου κρυστάλλους έγινε γνωστή η εσωτερική τους δομή, ο τρόπος δηλαδή με τον οποίο διατάσσονται οι «δομικοί λίθοι» τα άτομα στο εσωτερικό αυτών των κρυστάλλων. Στα χρόνια που ακολούθησαν λύθηκαν προβλήματα μοριακών δομών για όλο και πιο περίπλοκες οργανικές ενώσεις όπως είναι τα μεγάλα και από βιολογική άποψη σημαντικά μόρια των πρωτεϊνών.

Οι ερευνητές της Γενετικής.

«Προφανώς» στις ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ. Στις αρχές του εικοστού αιώνα το βασικό το βασικό ερώτημα των ερευνητών της Γενετικής ήταν το «ποια είναι η ΧΗΜΙΚΗ σύσταση του γενετικού υλικού;» Κατά τη δεκαετία του 1920 οι χημικοί είχαν ενεργώς συμβάλει στο να εδραιωθεί η άποψη ότι τα χρωμοσώματα συγκροτούνται από πρωτεΐνες και από μία ουσία γνωστή από το παρελθόν η οποία έμελλε (1931) να ονομαστεί δεσοξυριβονουκλεϊκό οξύ και αργότερα (1944) να συντομογραφηθεί ως DNA.

Γι αυτό και φαινόταν λογικό ότι τα genes (τα γονίδια) τα οποία είναι συνιστώσες των χρωμοσωμάτων έπρεπε να συγκροτούνται από πρωτεΐνες και από DNA. Που οφειλόταν όμως η δυνατότητες των γονιδίων; στις πρωτεΐνες ή στο DNA;

Η μεγάλη πλειοψηφία των βιοχημικών και των γενετιστών απαντούσε «στις πρωτεΐνες». Το επιχείρημα έδειχνε πειστικό. Αυτές είναι τα βασικά συστατικά των ιστών των έμβιων οργανισμών και δομούνται μέσα από ένα συνδυασμό 20 αμινοξέων. «Εφόσον τα αμινοξέα αυτά θεωρούνται η αλφαβήτα της χημικής γλώσσας, οι πρωτεΐνες έχουν προφανώς την ικανότητα να αποθηκεύουν και να μεταβιβάζουν τις τεράστιες απαιτούμενες ποσότητες των βιολογικών πληροφοριών». Αντίστοιχα επιχειρήματα υπέρ του DNA δεν φαίνονταν να υπάρχουν. Το DNA είναι μία πολύπλοκη δομή συγκροτημένη γύρω από την αλληλουχία τεσσάρων χημικών ουσιών που τις αποκαλούσαν βάσεις . Κατ’ αρχήν οι διάφοροι συνδυασμοί της τετραμερούς αυτής αλληλουχίας εθεωρούντο απρόσφοροι στο να εξυπηρετήσουν το χημικό αλφάβητο της ζωής.

Και τα χρόνια κυλούσαν, χωρίς να μπορεί να κάποιο είδος βεβαιότητας αλλά με την προτίμηση των ερευνητών στραμμένη προς τις πρωτεΐνες.

Την πρώτη ανατροπή την έκανε ο Καναδέζος παππούς. Η μεγάλη ανατροπή του «προφανώς οι πρωτεΐνες» έγινε το 1945 και συνδέεται με το έργο του Καναδέζου «παππού» (γεν. το 1877) φυσιολόγου Oswald Avery ειδικού στην έρευνα για την πνευμονία. Η αφετηρία ήταν ορισμένα εξαιρετικά πειράματα που έκανε σε ποντίκια σχετικά με τον Pneumococcus, το βακτήριο που προκαλεί την πνευμονία. Το βακτήριο αυτό εμφανιζόταν σε δύο παραλλαγές, την μολύνουσα S και την μη μολύνουσα R. Τα εργαστηριακά δεδομένα κατέδειξαν ότι αυτό που ευθύνονταν για τη διαφορά ανάμεσα στις μολύνουσες και τις μη μολύνουσες παραλλαγές του βακτηρίου ήταν το DNA και όχι οι πρωτεΐνες. Με άλλα λόγια την πληροφορία που καθόριζε τη λειτουργία του βακτηρίου την μετέφερε το DNA. Ο Avery υπονόμευσε τη βεβαιότητα των περισσότερων βιοχημικών σχετικά με τις δυνατότητες των πρωτεϊνών και η επιστημονική κοινότητα άρχισε να πείθεται ότι το μέχρι τότε σχετικά ασήμαντο DNA ήταν το κλειδί που θα άνοιγε τις πόρτες για την παραπέρα εξέλιξη.

Ένα «σκοτεινό» μόριο. Το 1952 είχε πλέον εδραιωθεί η πεποίθηση ότι το DNA και μόνο αυτό μπορούσε να παίζει τον ρόλο του γενετικού υλικού, ότι με άλλα λόγια ήταν το μοναδικό μόριο ικανό να αποθηκεύει όλη την απαιτούμενη πληροφορία για τη δημιουργία ενός ζωντανού οργανισμού.

Αυτό που δεν ήταν ακόμα γνωστό ήταν η δομή του «σκοτεινού» αυτού μορίου και ο τρόπος με τον οποίο εκτελούσε τις εκπληκτικές λειτουργίες της κληρονομικότητας. Αυτό όμως θα γινόταν κτήμα της επιστήμης στον επόμενο χρόνο.

Χημικός και γυναίκα. Στον δρόμο για την επικείμενη κατάκτηση έναν ιδιαίτερο ρόλο έπαιξε η Rosalind Franklin η οποία εκτός από χημικός ήταν και γυναίκα. Το 1952 στο εργαστήριο του King’ s College στο Λονδίνο, σε συνεργασία με τον φυσικό Maurice Wilkins, εφάρμοσε την τεχνική της πρόσπτωσης δέσμης ακτίνων Χ σε κρύσταλλο DNA και φωτογράφησε τη δέσμη μετά την περίθλαση. Το αποτέλεσμα ήταν καθαρό αλλά και συγχρόνως περίπλοκο. Ωστόσο χρησιμοποιώντας μαθηματική ανάλυση κατάφερε να χαρτογραφήσει το άγνωστο DNA. Ανακάλυψε -και ήταν ο πρώτος ερευνητής που το κατάφερε- ότι τόσο το φωσφορικό όσο και το σχετιζόμενο με υδατάνθρακες τμήμα του DNA βρίσκεται στο εξωτερικό μέρος του μορίου ενώ ταυτόχρονα μπόρεσε να «διακρίνει» τη βασική ελικοειδή δομή του μορίου. Λίγο αργότερα σε ένα σεμινάριο της Rosalind Franklin ο συνεργάτης της Maurice Wilkins έδειξε την εικόνα της διπλής έλικας στον James Watson του εργαστηρίου Cavendish μολονότι τα δύο ερευνητικά εργαστήρια είχαν μεταξύ τους έναν έντονο ανταγωνισμό¹ .

Τη χρονιά λοιπόν εκείνη, το έτος δηλαδή 1952, οι κρυσταλλογράφοι ακτίνων Χ άρχισαν να δείχνουν στους φυσικούς ότι το DNA είναι ένα ελικοειδές μόριο με δύο αλυσίδες νουκλεϊνικού οξέως, τυλιγμένες η μία γύρω από την άλλη, ενώ από τη πλευρά των χημικών είχε αποσαφηνιστεί ότι το δεσοξυριβονουκλεινικό οξύ DNA συγκροτείται από δεσοξυριβονουκλεοτίδια καθένα από τα οποία είχε τρεις συνιστώσες. Ενα σάκχαρο (δεσοξυριβόζη) με πέντε άτομα άνθρακα, μία φωσφορική ομάδα και μία νιτρική «βάση». Είχε κυριαρχήσει η άποψη ότι υπάρχουν τέσσερα διαφορετικά δεσοξυριβονουκλεοτίδια (ή απλώς νουκλεοτίδια) καθένα από τα οποία περιέχει το ίδιο ακριβώς σάκχαρο και την ίδια ακριβώς φωσφορική ομάδα αλλά διαφορετική βάση. Τα τέσσερα αυτά νουκλεοτίδια ήταν η αδενίνη (Α), η θυμίνη (Τ), η γουανίνη (G ) και η κυτοσίνη (C). Τα ερωτήματα ωστόσο παρέμεναν δύο και αναπάντητα. Το πρώτο «Πώς ακριβώς διατάσσονται οι συνιστώσες αυτές του DNA σε κάθε γονίδιο;» και το δεύτερο «με ποιο μηχανισμό γινόταν η αποθήκευση και η μεταφορά της πληροφορίας;»

Βιολογία, Χημεία, Φυσική και Ορθός λόγος

Ο Αγγλος και ο Αμερικάνος. Ήταν η στιγμή που ο Αγγλος Francis Crick και ο Αμερικανός James Watson, ερευνητές τότε στο Cambridge, στο Cavendish Lab, εμφανίστηκαν στο προσκήνιο. Στις 25 Απριλίου του 1953 στο επιστημονικό περιοδικό NATURE² δημοσιοποίησαν την πρότασή τους για λεπτομερές μοντέλο για το μόριο του DNA, το μοντέλο της διπλής έλικας, χωρίς να κάνουν καμία ουσιαστική αναφορά στην εργασία της Rosalind Franklin. Ο Άγγλος ήταν τότε 37 ετών και ο Αμερικανός 25.

Χημεία και Φυσική. Το μοντέλο τους οικοδομήθηκε πάνω σε δύο κατά βάση στοιχεία

Στις ενδείξεις των ΦΥΣΙΚΩΝ για ελικοειδή δομή, τις οποίες παρείχαν οι ακτίνες Χ και

Στις εργασίες των ΧΗΜΙΚΩΝ οι οποίες έδειχναν ότι στο DNA η αδενίνη υπάρχει στην ίδια αναλογία με τη θυμίνη και η γουανίνη στην ίδια αναλογία με την κυτοσίνη.

Στο μοντέλο αυτό,

α. η προτεινόμενη για το DNA δομή είναι μία ΔΙΠΛΗ ΕΛΙΚΑ με δύο κλώνους οι οποίοι συνδέονται όπως τα σκαλοπάτια στις σκάλες που οδηγούσαν στις παλιές ταράτσες. Σε γλώσσα Χημείας η σύνδεση γίνεται με δεσμούς υδρογόνου.

β. η διάταξη των νουκλεοτιδίων είναι τέτοια ώστε

η Α, στη μία αλυσίδα, να συνδέεται πάντα με την Τ στην άλλη και

η G, στη μία αλυσίδα, με την C στην άλλη.

Κατά την καταγραφή της μίας σειράς μπορεί κανείς να πάρει τυχαία οποιαδήποτε από τα τέσσερα γράμματα και να τα τοποθετήσει με οποιαδήποτε σειρά. Καμία αναγκαιότητα δεν καταργεί το ΤΥΧΑΙΟ αυτής της καταγραφής. Εάν όμως γραφεί η μία σειρά, θα είναι καθορισμένη και η άλλη. Η σύνδεση της Α οπωσδήποτε με Τ και η σύνδεση της G οπωσδήποτε με C κάνει τη δεύτερη αλυσίδα νομοτελειακά συμπληρωματική της πρώτης.

Προτείνοντας το συγκεκριμένο μοντέλο υποδήλωναν ότι

α. θα μπορούσε να αποτελεί ένα μοριακό μηχανισμό για τον διπλασιασμό του γενετικού υλικού σε κάθε κύκλο διαίρεσης του κυττάρου. Ένα ένζυμο, το ένζυμο πολυμεράση, κινείται κατά μήκος του μορίου του DNA με τέτοιο τρόπο ώστε οι αλυσίδες του μορίου να χωρίζουν στη θέση του ενζύμου, μια εικόνα που θυμίζει φερμουάρ, ενώ συμπληρωματικά νουκλεοτίδια προστίθενται και συνδέονται για να σχηματίσουν καινούργιες αλυσίδες. Όταν το ένζυμο θα έχει διατρέξει ολόκληρο το μόριο, θα υπάρχουν πια δύο όμοια DNA εκεί που πριν υπήρχε ένα.

β. η γραμμική αλληλουχία των βάσεων σε κάθε μόριο DNA λειτουργεί ως κώδικας για τη γενετική πληροφορία.

Οι προτάσεις αυτές για τη δομή του DNA και για τον διπλασιασμό του επιβεβαιώθηκαν από μεταγενέστερες και λεπτότερες αναλύσεις.

Οι φυσικοί συνέβαλαν σ’ αυτό προσφέροντας το «εργαλείο» ακτίνες Χ και οι χημικοί απομονώνοντας τα ένζυμα παλυμεράσες που καταλύουν τον διπλασιασμό.

Τα 20, τα 4 και ο Ορθός λόγος. Για να λειτουργήσει η ζωή χρειάζεται να οικοδομούνται πρωτεΐνες και η σύνθεση των πρωτεϊνών γίνεται με αμινοξέα. Τα κυριότερα αμινοξέα που απαιτούνται για τη σύνθεση πρωτεϊνών είναι είκοσι.

Από το 1953 υπήρχαν ήδη γενετικές ενδείξεις πως τα ΓΟΝΙΔΙΑ ελέγχουν την κυτταρική δραστηριότητα κυρίως χάρη στον έλεγχο της πρωτεΐνοσύνθεσης. Κάθε γονίδιο είναι υπεύθυνο για τη συναρμολόγηση μιας διαφορετικής πρωτεΐνης. Τη συναρμολόγηση δεν την κάνει το γονίδιο. Προσφέρει όμως την απαραίτητη πληροφορία για να γίνει η πρωτεΐνοσυνθεση. Από την εποχή της ανακοίνωσης των Crick και Watson για τη δομή του DNA, οι μοριακοί βιολόγοι και ιδιαίτερα ο ίδιος ο Crick άρχισαν να σκέφτονται ΜΕ ΠΟΙΟ ΤΡΟΠΟ ΕΝΑ ΤΕΤΟΙΟ ΜΟΡΙΟ ΘΑ ΜΠΟΡΟΥΣΕ ΝΑ ΑΣΚΕΙ ΑΥΤΟΝ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ. Η κεντρική ιδέα ήταν ότι Η ΣΕΙΡΑ ΤΩΝ ΝΟΥΚΛΕΟΤΙΔΙΩΝ ΣΤΟ DNA ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΜΕΝΟ ΜΗΝΥΜΑ ΠΟΥ ΚΑΘΟΡΙΖΕΙ ΤΗ ΣΕΙΡΑ ΤΩΝ ΑΜΙΝΟΞΕΩΝ ΣΤΙΣ (ΠΕΠΤΙΔΙΚΕΣ) ΑΛΥΣΙΔΕΣ ΤΩΝ ΠΡΩΤΕΪΝΩΝ.

Ο Ορθός λόγος

Τα 4 νουκλεοτίδια θεωρούμενα ανά ένα μας δίνουν μία γλώσσα με 4 «στοιχεία» τα Α, Τ, C, και G.

Τα 4 νουκλεοτίδια θεωρούμενα ανά δύο μας δίνουν μία γλώσσα με 16 «στοιχεία», που προκύπτουν από τους συνδυασμούς καθενός από τα Α, Τ, C, και G με τα άλλα τρία και με τον εαυτό του. Θα προκύψουν έτσι τα AA, ΑΤ, ΑC, ΑG, TT, TC, TG, TA, CC, CA, CT, CG, GG, GA, GT, GC.

Τα 4 νουκλεοτίδια θεωρούμενα ανά τρία μας δίνουν μία γλώσσα με 64 «στοιχεία», καθένα δηλαδή από τα 16 προηγούμενα συνδυαζόμενα με καθένα από A,T,C,G . Αυτά θα είναι τa AAA, AAT, AAC, AAG, ATA, ATT, ATC, ATG, κ.οκ.

Ο ορθός λόγος (II)

Αν το κωδικοποιημένο μήνυμα που χρησιμοποιεί 4 τύπους νουκλεοτιδίων καθορίζει τη σειρά σε πεπτιδικές αλυσίδες που συγκροτούνται από 20 διαφορετικούς τύπους αμινοξέων

α. Ο κώδικας δεν μπορεί να καταρτίζεται με αντιστοιχία 1 προς 1 μεταξύ ενός νουκλεοτιδίου και ενός αμινοξέος.

β. Δεν μπορεί να μας καλύψει επίσης ένας κώδικας που προκύπτει από τους συνδυασμούς των 4 νουκλεοτιδίων ανά δύο. Μας δίνει 16 μόνο συνδυασμούς και όχι τους 20 που χρειάζονται. Μπορεί βέβαια τα τέσσερα από τα είκοσι αμινοξέα να καθορίζονται από τις τέσσερις βάσεις σε αναλογία 1 προς 1 και τα υπόλοιπα 16 από τους 16 ανά δύο συνδυασμούς.

γ. Ένας κώδικας που προκύπτει από τους συνδυασμούς των 4 νουκλεοτιδίων ανά τρία μας δίνει 64 συνδυασμούς οι οποίοι είναι υπεραρκετοί για τους 20 τύπους αμινοξέων.

Διαίσθηση και μικροψυχία.

Η διαίσθηση. Η διαίσθηση του Francis Crick τον οδήγησε, μετά το 1955, να υποστηρίξει ότι ήταν πιθανότερος ένας κώδικας του τύπου της τριπλέτας όπου κάθε διαδοχική σειρά τριών νουκλεοτιδίων κατά μήκος του DNA θα κωδικοποιούσε τη διαδοχή των αμινοξέων της αντίστοιχης πεπτικής αλυσίδας. Ο γενετικός αυτός κώδικας είναι ένας πλεονάζων κώδικας με 64 στοιχεία για τον καθορισμό των 20 αμινοξέων.

Η μικροψυχία των μεγάλων ερευνητών. Στην πρώτη τους ανακοίνωση οι δύο συνεργάτες δεν έκαναν παρά μία φευγαλέα αναφορά στη Rosalind Franklin και στην πρωτοποριακή εργασία της. Την ίδια μικρόψυχη συμπεριφορά έδειξαν και κατά την απονομή του βραβείου Νόμπελ, το οποίο μοιράστηκαν με τον Maurice Wilkins, το έτος 1962. Εν τω μεταξύ η Rosalind Franklin χτυπημένη από καρκίνο είχε φύγει από τη ζωή, το 1957, στα 37 της χρόνια.

Στο βιβλίο του THE DOUBLE HELIX ³, που κυκλοφόρησε το 1968, o James Watson, καθώς περιγράφει το «δρομολόγιο» που οδήγησε στη διπλή έλικα, αναφέρεται με καθόλου κολακευτικό τρόπο στην Rosalind Franklin. Ωστόσο μερικά χρόνια αργότερα ο Robert Olby, στο βιβλίο του THE PATH TO THE DOUBLE HELIX⁴ καταγράφει τα ίδια γεγονότα χωρίς καμία εμπάθεια και η αφήγησή του για τον ρόλο της Rosalind Franklin είναι εντυπωσιακά διαφορετική.

Γεγονός είναι όμως ότι στις δεκαετίες που ακολούθησαν και ενώ το DNA διείσδυσε στα λεξιλόγια όλων σχεδόν των λαών του κόσμου, το δίδυμο Watson και Crick πέρασε στην περιοχή του θρύλου.

Σε ενεστώτα χρόνο

50 χρόνια αργότερα, τον «δικό μας» δηλαδή Φεβρουάριο του 2003, η Βρετανία ετοιμάζεται να εορτάσει την επέτειο της ανακάλυψης με την έκδοση ενός νέου νομίσματος των δύο λιρών, με ομιλία του πρωθυπουργού και με την κυκλοφορία μιας σειράς γραμματοσήμων. Ειδικώς τα Βασιλικά ταχυδρομεία θα ενισχύσουν τον θρύλο των Watson και Crick δεδομένου ότι τα γραμματόσημα θα αναφέρονται στο επίτευγμά τους⁵, χωρίς καμία αναφορά στη συμβολή της Rosalind Franklin.

Στο μεταξύ ο Maurice Wilkins, ο φυσικός συνεργάτης της Franklin, αλλά και «τρίτος άνθρωπος» κατά την απονομή του Νόμπελ, σε μια αυτοβιογραφία του η οποία θα κυκλοφορήσει τον επόμενο μήνα, προτίθεται να αποκαλύψει το τι ακριβώς συνέβη. Η αντιπαράθεση για το «σε ποιους πρέπει να πιστωθεί το μεγάλο επίτευγμα δεν φαίνεται ότι θα σταματήσει».

ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ

1. Silver, Brian, 1998, THE ASCENT OF SCIENCE, Oxford university Press, USA

2. "...This (DNA) structure has two helical chains each coiled round the same axis...Both chains follow right handed helices...the two chains run in opposite directions . . . The bases are on the inside of the helix and the phosphates on the outside . . ."

"The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases . . . The (bases) are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that the two lie side by side...One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur . . . Only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine)."

Francis Crick and James Watson NATURE, April 25, 1953. volume 171:737-738

3. Watson, James THE DOUBLE HELIX ed. Weindenfeld and Nicholson, 1968

4. Olby, Robert, THE PATH TO THE DOUBLE HELIX, University of Washington Press, 1975, USA

5. Ρεπορτάζ της εφημερίδας THE TIMES, 28 Ιανουαρίου 2003

Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας