تاریخچه کشف ساختار dna

[مهسا69]

در ميان يافته‌هاي علمي زيست‌شناسي، به كم‌تر يافته‌اي بر مي‌خوريم كه به اندازه‌ي يافته‌ي جيمز واتسون و فرانسيس كريك، يعني كشف ساختمان سه بعدي DNA معروف باشد. اين كشف نتيجه‌ي كار پژوهشي آنان به تنهايي نبود، بلكه حاصل هم‌ انديشي و كنار هم چيدن يافته‌هاي پژوهشگران ديگري بود كه به باور برخي از دانشمندان، نقش آنان در روشن شدن ساختمان سه بعدي DNA ، از واستون و كريك پررنگ‌تر بود.
در اين مقاله، فعاليت‌هاي پنج شخصيتي معرفي مي‌شود كه هر يك به شيوه‌اي در كشف مارپيچ دوتايي سهيم بوده‌اند:
فردريك مايشر ، پزشك سوئيسي كه اسيد نوكلئيك را كشف كرد و نشان داد كه اين ماده در هسته‌ي همه‌ي سلول‌ها وجود دارد.
فوبوس لون پزشك و شيميدان روسي كه ساختمان شيميايي اسيدهاي نوكلئيك را معرفي كرد.
اروين چارگاف، شيميدان استراليايي كه مقدار بازهاي آلي را در DNA جانداران گوناگون سنجيد.
لينوس پاولينگ ، شيميدان بزرگ آمريكايي كه روي ساختمان پروتئين‌ها كار مي‌كرد.
روزاليند فرانكلين ، شيمي فيزيكدان انگليسي كه از بلور DNA عكس پراش پرتوي ايكس تهيه كرد.

فردريك مايشر

فردريك مايشر (1895-1844) به سفارش پدرش وارد دانشكده‌ي پزشكي شد، اما به علت دشواري در شنيدن، نمي‌توانست با بيماران به خوبي ارتباط برقرار كند. از اين رو تصميم گرفت، وارد عرصه‌ي پژوهش‌هاي پزشكي شود. وي در سال 1868 پژوهش‌هاي خود را زير نظر فليكس هوپ سيلر در دانشكده‌ي علوم طبيعي دانشگاه توبينگن آلمان آغاز كرد. در آن آزمايشگاه، هنگامي كه هنوز بسياري از دانشمندان در مفهوم «سلول» شك داشتند، برخي از مولكول‌‌‌هاي سازنده‌ي سلول‌ها استخراج شده بودند و پژوهش در زمينه‌ي شيمي بافت‌ها ادامه داشت.
بررسي شيميايي سلول‌هاي سفيد خون، به عنوان موضوع پژوهش‌هاي مايشر برگزيده شد. استخراج اين سلول‌ها از گره‌هاي لنفاوي بسيار دشوار بود، اما در زخم‌هاي چرك مقدار زيادي از آن‌ها يافت مي‌شود. از اين رو، مايشر باندهاي آلوده را از بيمارستان محلي جمع‌آوري و با كمك محلولي از نمك، گلبول‌هاي سفيد را از آن‌ها جدا مي كرد. مايشر در جريان يكي از آزمايش‌هايش، گلبول‌هاي سفيد را تحت تأثير عصاره‌ي معده‌ي خوك قرار داد. در آن زمان، دانشمندان مي‌دانستند اين عصاره ، آنزيمي دارد كه باعث هضم پروتئين‌ها مي‌شود. امروزه آن‌ آنزيم را با نام پپسين مي‌شناسيم. وي چگونگي اثر عصاره را بر اين سلول‌ها، به دقت زير ميكروسكوپ پي‌ گيري كرد. وقتي عصاره‌ي معده ، پروتئين‌هاي سفيد خون را تخريب كرد، او مشاهده كرد كه ساختار اين سلول‌‌ها از هم پاشيد، اما هسته‌ي آن‌ها تا حدود زيادي سالم باقي ماند. به اين ترتيب، او هسته‌ي سلول‌ها را از سيتوپلاسم جدا كرد.
در گام بعدي، هسته‌ها را تحت تأثير هيدروكسيد سديم قرار داد. افزودن اين محلول قليايي به ظرف حاوي هسته‌ها، باعث تشكيل رسوب سفيد رنگي شد كه تجزيه‌ي شيميايي آن نشان داد، كربن، هيدروژن، اكسيژن، نيتروژن و درصد زيادي فسفر، عنصر هاي سازنده‌ي آن هستند. پايداري در برابر عمل پپسين، چگونگي واكنش آن به حلال‌هاي متفاوت و درصد فسفر بالا باعث شد كه مايشر پيشنهاد كند، ماده غير پروتئيني جديدي را كشف كرده است. وي اين ماده را نوكلئين به معناي «در هسته» ناميد.
مايشر آزمايش‌هاي مشابهي را روي اسپرم ماهي آزاد انجام داد. به طور كلي، هسته در همه‌ي اسپرم‌ها حجم زيادي از سلول‌ را به خود اختصاص مي‌دهد. در اسپرم ماهي آزاد نيز بيش از 90 درصد حجم سلول، از هسته است. تلاش شبانه‌روزي اين پژوهشگر پركار به استخراج نوكلئين از اسپرم ماهي آزاد و اسپرم گونه‌هاي ديگر منجر شد. بررسي شيميايي نوكلئين استخراج شده از آن منابع، نتيجه‌ي پيشين را تأئيد كرد. مايشر به‌راستي ماده‌ي جديدي كشف كرده بود كه به نظر مي‌رسيد، در هسته‌ي همه‌ي سلول‌ها وجود دارد. آيا اين ماده نمي‌توانست ماده‌ي ژنتيك باشد؟
اگر نوكلئين ماده‌ي ژنتيك باشد، بايد مقدار آن در همه‌ي سلول‌هاي پيكري يكسان و در سلول‌هاي جنسي نصف سلول‌هاي پيكري باشد. مايشر براي بررسي اين فرضيه چند سال تلاش كرد و توانست مقدار نوكلئين را در هسته‌ي سلول‌هاي پيكري و جنسي تعيين كرد. اما يك روي‌داد ناشي از بدشانسي باعث شد، او به اشتباه نوعي پروتئين را به عنوان ماده‌ي ژنتيك معرفي كند.
مايشر درصد فسفر بالا را معيار شناسايي نوكلئين قرار داده بود. در سيتوپلاسم سلول تخمك، پروتئيني به نام فسويتين7 وجود دارد كه بر خلاف ديگر پروتئين‌ها، مقدار زيادي فسفر دارد. اين پروتئين كه در آن زمان كشف نشده بود، باعث شد مايشر مقدار نوكلئين موجود در تخمك را به درستي محاسبه نكند. از اين رو، نتيجه گرفته كه مقدار نوكلئين سلول تخمك و سلول اسپرم با هم برابر نيستند و بنابراين چنين مولكولي نمي‌تواند نقش ماد ه‌ي ژنتيك را بازي كند.
مايشر پس از سال‌ها تلاش، در اثر سل جان باخت. دو عامل را دليل ابتلاي او به اين بيماري مي‌دانند: تماس با چرك باندهاي بيماران و فعاليت شبانه‌روزي در اتاق سردي كه براي استخراج نوكلئين لازم بود. در هر صورت، وي جان خويش را بر سر شناخت نوكلئين گذاشت.

فوبوس لون

فوبوس لون (1940-1869) فراگيري پزشكي را در روسيه آغاز كرد، اما به سبب كار در آزمايشگاه شيمي آلي، به زيست‌شيمي ( بيوشيمي ) علاقه‌مند شد. در سال 1829 آموزش پزشكي را در نيويورك به پايان رساند و با بزرگان شيمي از جمله آلبرت كوسل و اميل فيشر آشنا شد كه در زمينه‌ي اسيد نوكلئيك و پروتئين كار مي‌ ‌كردند. او در نتيجه‌ي پژوهش‌هاي فراوان ، بيش از 700 مقاله درباره‌ي ساختمان شيميايي مولكول‌هاي زنده منتشر كرد، اما شهرت او بيش‌تر به سبب طرح تترانوكلئوتيدي است.
لون براساس پژوهش‌هاي خود و پژوهش‌ گران پيشين به اين نتيجه رسيد كه نوكلئوتيدها واحد ساختماني اسيدهاي نوكلئيك هستند و اسيد نوكلئيكي كه مايشر كشف كرده بود، از نوع داكسي ريبونوكلئيك (DNA) است. هر نوكلئوتيد از يك نوع باز آلي، يك قند پنج‌ كربنه و يك گروه فسفات تشكيل شده كه در شرايط طبيعي به صورت يونيزه و داراي بار منفي است. به علاوه او دريافت، نوكلئو تيدها از راه اتصال فسفودي استري به هم پيوند مي‌شوند.
لون براساس آزمايش‌هاي خود به اين نتيجه‌ي نادرست دست يافت كه اندازه‌ي چهار باز A ، T ، C و G ، در DNA برابر است. از اين رو، طرح تترانوكلئوتيدي را به عنوان ساختمان شيميايي DNA پيشنهاد كرد. براساس اين طرح، DNA مولكول درازي است كه از تكرار يك واحد تترانوكلئوتيدي (چهار نوكلئوتيدي) تشكيل شده است؛ يعني، به صورت زير:

(… AGTC-AGTC-AGTC-AGTC … )n

روشن است كه چنين مولكول يكنواختي نمي‌توند اطلاعات وراثتي گوناگون جاندارن را در خود اندوخته كند. به اين ترتيب، طرح تترانوكلئوتيدي لون از اين باور پشتيباني كرد كه با وجود حضور DNA در كروموزوم‌ها، اين مولكول نمي‌تواند ماده‌ي وراثتي باشد. البته، اين اشتباه نبايد نقشي را كه لون در شناخت ساختمان شيميايي DNA داشته است، از ياد ببرد.

اروين چارگاف

اروين چارگاف (1992-1929) در زمينه‌ي شيمي، پژوهش‌هاي گسترده‌اي انجام داده، اما بيش تر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهاي آلي در DNA مشهور است. وي و همكارانش به مدت هفت سال با روش كروماتوگرافي كاغذي، نسبت بازهاي آلي DNA را در جاندارن گوناگون و سلول‌هاي پيكري يك جاندار تعيين كردند و نتيجه گرفتند، مقدار بازها در DNA گونه‌هاي مختلف جانداران متفاوت است و با تغيير رژيم غذايي، تغيير شرايط محيطي يا افزايش سن جاندار، تغيير نمي‌كند. اما در تمام نمونه‌ها، مقدار A با مقدار T و مقدارC با مقدار G برابر است.
آزمايش‌هاي چارگاف نشان داد، نظريه‌ي تترانوكلئوتيدي لون درست نيست. نتيجه‌ي اين آزمايش‌‌ها، در روش ساختن ساختمان مولكولي DNA و چگونگي اندوخته شدن اطلاعات در آن، نقش مهمي داشتند. به هر حال، خود او نتوانست از آن‌ها در اين زمينه بهره گيرد.

لينوس پاولينگ

روش پراش پرتوي ايكس نخستين بار براي مطالعه‌ي بلور نمك طعام استفاده شد. شيمي‌دان بزرگ لينوس پاولينگ، يكي از نخستين كساني بود كه با بهره‌گيري از اين روش تلاش كرد، ساختمان سه بعدي پروتئين‌ها را روشن كند. وي در مجموعه مقاله‌هايي كه در سال‌هاي 1950 و 1951 انتشار داد، مارپيچ آلفا را مهم‌ ترين ركن ساختمان سه بعدي پروتئين‌ها معرفي كرد.
پاولينگ براي DNA نيز طرحي پيشنهاد كرد. در طرح او، DNA از سه رشته‌ي مارپيچ تشكيل شده بود كه بازهاي آلي آن در بيرون و ستون‌هاي قند فسفات در درون مولكول قرار داشتند. به علاوه، در طرح او گروه‌هاي فسفات به حالت يونيزه و داراي بار منفي نبودند و رشته‌ها از راه پيوندهاي هيدروژني با هم ارتباط داشتند كه بين گروه‌هاي فسفات برقرار شده بودند.
براساس آن‌چه كه از شيمي DNA مي‌دانيم، گروه‌هاي فسفات هميشه به حالت يونيزه و داراي بار منفي‌‌ هستند و اين معما همچنان باقي است كه پاولينگ (برند ه‌ي نوبل شيمي) چگونه چنين اشتباهي مرتكب شده است؟ باوجود اين، همان طور كه در ادامه مي‌آيد، شيوه‌ي پژوهشي او تأثير مهمي بر فعاليت هاي واستون و كريك داشت.

روزالين فرانكلين

روزالين فرانكلين (1958-1920) در سال 1951 به همراه يكي از دانشجويان به نام رايموند گوسلينگ، مجموعه‌اي از تصويرهاي پراش پرتوي ايكس با كيفيت بالا، از بلور DNA تهيه كرد. او با استفاده از اين تصويرها تو انست، ابعاد DNA را محاسبه كند و به درستي نتيجه گرفت كه گروه‌هاي فسفات در بيرون مولكول DNA قرار دارند. به علاوه تشخيص داد، DNA به دو شكل A و B وجود دارد و شكل راستين DNA ، همان شكل B است. تصويري كه او از بلور شكل B تهيه كرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدي DNA نقش به سزايي داشت. آن تصوير را موريس ويكلينز (با اجازه يا بدون اجازه‌ي فرانكلين) در اختيار واستون و كريك قرار داده بود.(واتسون در كتاب خود، كه با نام مارپيچ مضاعف در ايران منتشر شده است، به اين حقيقت اشاره كرده است.)
فرانكلين در سال 1958 در اثر سرطان درگذشت. به نظر مي‌رسد، كار بيش از اندازه با پرتو ايكس در ابتلاي او به سرطان مؤثر بوده است.

واستون و كريك

در روزهاي پاياني سال 1951، جيمز واتسون (زيست‌شناس) و فرانسيس كريك (فيزيكدان) با هدف تعيين ساختمان مولكولي DNA ، همكاري خويش را آغاز كردند. آنان مي‌دانستند، مولكول DNA از تعداد زيادي نوكلئوتيد تشكيل شده است كه به صورت خطي و با كمك اتصال‌هاي فسفودي استري كنار يكديگر قرار گرفته‌اند. از سوي ديگر، در همين سال، پاولينگ مارپيچ آلفا را به عنوان مهم‌ترين ركن ساختمان سه بعدي پروتئين‌ها معرف كرده بود. از اين رو، نخستين طرح فرضي براي DNA ، در ذهن اين زوج علمي شكل گرفت:
1) DNA رشته‌اي دراز و مارپيچي شكل از واحدهايي به نام نوكلئوتيد است. در اين رشته، ستون قند فسفات بسيار منظم و ترتيب بازها بسيار نامنظم است.
وقتي آنان طرح فرضي خود را با ويلكينز در ميان گذاشتند، با اين پاسخ روبه‌رو شدند كه براي اساس تصويرهاي پراش پرتوي ايكس، قطر مولكول DNA بيش از آن است كه وجود تنها يك رشته پلي‌نوكلئوتيدي آن را توجيه كند. از اين رو، كريك پيشنهاد تازه‌اي را مطرح كرد:
2) مولكول DNA از چند رشته‌ي پلي نوكلئوتيدي تشكيل شده است كه به دور يكديگر پيچ خورده‌اند.
آيا DNA مولكولي دو رشته‌اي، سه رشته‌اي يا چهار رشته‌اي است؟ ارتباط اين رشته‌ها با يكديگر چگونه است؟ آيا به راستي مولكول DNA ساختمان مارپيچي دارد؟ پاسخ اين پرسش‌ها با اطلاعات كمي كه در اختيار واتسون و كريك بود، به دست نمي‌آمد. از اين رو، از ويلكينز خواستند با آنان همكاري كند و تصوير پراش پرتوي ايكس بلور DNA را در اختيارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصوير پراش پرتوي ايكس DNA ، تصميم گرفتند همانند ديگر دانشمنداني كه به مطالعه‌ي بلور مولكول‌ها مي‌پرداختند، با استفاده از سيم و تكه‌هاي حلب، طرح فرضي DNA را بسازند.
تفسير تصويرهاي پراش بلورها، به محاسبه‌ي پيچيده‌اي نياز دارد. در آن زمان، هنوز رايانه وارد آزمايشگاه‌هاي بلورشناسي نشده بود. از اين رو، بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندكي كه از تصويرهاي پراش پرتو ايكس به دست مي‌آوردند، طرح‌هاي فرضي مولكول‌‌ها را مي‌ساختند. سپس با انجام محاسبه‌هايي ، الگوي پراش فرضي اين طرح‌هاي ساختگي را تعيين مي‌كردند. سرانجام، پراش فرضي با پراش بلور مقايسه و ساختمان سه بعدي مولكول مورد نظر پيش‌بيني مي‌شد. براي مثال، وجود تقارن و نظم در تصوير پراش بلور، نشان دهنده‌ي نظم و تكرار واحدهاي سازنده‌ي مولكول‌هاي بلور است. بنابراين، طرح ساخته شده بايد داراي نظم و واحدهاي تكرار شونده باشد.
واتسون و كريك با فرض اين كه ستون قند فسفات در مركز و بازهاي حلقوي در بيرون مولكول DNA قرار دارند، به ساختن نخستين طرح براي DNA مشغول شوند. براساس اين طرح :
3)DNA از دو رشته‌ي پلي نوكلئوتيدي تشكيل شده است. اين رشته‌ها با پل‌هاي نمكي به هم مربوط مي‌شوند كه در آن‌ها كاتيون‌هاي دو ظرفيتي مانند +Mg2 و گروه‌هاي فسفات داراي بار منفي، شركت دارند.
پس از پايان كار، آنان از ويلكينز و فرانكلين دعوت كردند، طرحشان را بررسي كنند. وقتي آنان مسأله‌ي يون‌هاي +Mg2 را مطرح كردند كه دو رشته را كنار يكديگر نگه مي‌دارند، با اعتراض شديد فرانكلين روبه‌رو شدند. فرانكلين پافشاري كرد كه يون‌هاي +Mg2 را پوسته‌هايي از مولكول‌هاي آب دربرمي‌گيرند و بسيار دور است ميخ محكمي براي نگه‌داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او اين بود كه ستون قند و فسفات در بيرون قرار دارد. به اين ترتيب، مولكول‌هاي آب، طرح دو رشته‌اي واتسون و كريك را فروريختند.
مدت‌ها از اين ماجرا گذشت ، بدون آن كه واتسون و كريك به موفقيت چشمگيري دست پيدا كنند. تا اين كه با خبر شدند، پاولينگ براي ساختمان سه بعدي DNA ، طرحي پيشنهاد كرده است. اما همان طور كه گفته شد، طرح مارپيچ سه رشته‌اي پاولينگ از نظر شيميايي نادرست بود.
مدتي بعد، در ديداري كه اين زوج علمي با ويكلينز داشتند، با تصوير تازه‌اي از بلور DNA روبه‌رو شدند كه از تصويرهاي پيشين ساده‌تر بود. آن تصوير را كه مربوط به شكل B بود، فرانكلين تهيه كرده بود. ويلكينز به آنان گفت، آن تصوير از بلوري تهيه شده كه مقدار زيادي آب داشته است و تصوير پيشين كه آن دو روي آن كار مي‌كرده‌اند، از مولكولي بوده كه آب خود را از دست داده بوده است.
كريك به كمك ويلكينز آن تصوير را با معادله‌هاي رياضي بررسي كرد تا اطلاعات زير به دست آمد:
1) تصوير پراش بسيار منظم است. بنابراين، ساختمان مولكولي DNA بايد بسيار منظم و قطر آن در همه‌ي مولكول ثابت باشد.
2) نقش ضربدري كه در تصوير مشا هده مي‌شود، از مارپيچ بودن مولكول DNA حكايت مي‌كند و زاويه‌ي بين بازوي ضربدر و خط افق، با زاويه‌ي پيچش DNA برابر است.
3) در تصوير پراش، نقطه‌هايي كه فاصله‌ي زيادي از هم دارند، در واقع فاصله‌ي اندكي از يكديگر دارند و برعكس. با در نظر گرفتن اين قاعده كه معادله‌هاي پيچيده‌ي رياضي آن را تأ ييد مي‌كنند، فاصله‌ي بين مركز و محيط تصوير پراش، حدود 34 انگستروم و فاصله‌ي بين هر رديف از نقطه‌هاي سياه با رديف بعدي، حدود 34 انگستروم محاسبه مي‌شود. بنابراين، فاصله‌ي هر جفت باز با جفت باز ديگر، حدود 4/3 انگستروم و فاصله‌ي عمودي يك دور كامل مارپيچ DNA ، حدود 34 انگستروم خواهد بود. در اين صورت، در هر دور مارپيچ DNA ، حدود 10 جفت باز آلي جاي مي‌گيرد.
سرانجام، واتسون و كريك با درنظر گرفتن اين اطلاعات و نتيجه‌ي آزمايش‌هاي چارگاف، توانستند به بزرگ‌ترين كشف زيست‌شناسي مولكولي دست يابند و به همراه ويلكينز، جايز ه‌ي نوبل 1962 را از آن خود كنند.