2023 Autor: Bryan Walter | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-05-24 23:09
Wir sind an die Vorstellung gewöhnt, dass zu Beginn des 20. Jahrhunderts die Hauptrolle in der wissenschaftlichen Welt den Physikern zukam, die die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik entdeckten. Weniger bekannt ist, dass eine Reihe wichtiger physikalischer Ideen zu einem Durchbruch auf einem ganz anderen Gebiet führten – der Genetik. Das Buch von Maxim Frank-Kamenetsky "Das wichtigste Molekül" (Verlag "Alpina Non-Fiction"), das in die Longlist des populärwissenschaftlichen Literaturpreises 2017 "Aufklärer" aufgenommen wurde, erzählt nicht nur vom DNA-Molekül und seiner Rolle in der Reproduktion von Leben, aber auch molekularbiologische Fragestellungen, die eng mit Physik und Mathematik verbunden sind, werden beleuchtet.
Von neuer Physik zu neuer Biologie
In der Biologie passieren erstaunliche Dinge.
Ich glaube, Jim Watson hat eine Entdeckung gemacht
vergleichbar mit dem, was Rutherford 1911 tat.
Aus einem Brief von Max Delbrück an Niels Bohr
14. April 1953
1930er Jahre
Im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts fanden in der Physik die bedeutendsten, revolutionären Umwälzungen statt. Die Entstehung der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik erschütterte diese alte Wissenschaft in ihren Grundfesten und gab ihr einen neuen, unerhörten Kraftimpuls für eine Weiterentwicklung sowohl in der Tiefe auf der Suche nach universellen physikalischen Gesetzen als auch in der Breite in angrenzende Gebiete.
Einer der wichtigsten Meilensteine auf dem Weg zu einer neuen Physik war die Entdeckung des Atomkerns durch Rutherford im Jahr 1911. Die bloße Existenz des Rutherford-Atoms stand im krassen Widerspruch zu den Grundgesetzen der klassischen Physik. Die alte Physik wurde durch eine neue ersetzt, die Quantenphysik, die die Stabilität von Atomen und ihre erstaunlichen Linienspektren erklären sollte.
Diese Theorie, die von Planck, Einstein und Bohr entwickelt wurde, fand 1926 eine bemerkenswert klare Formulierung in der berühmten Schrödinger-Gleichung. Die Quantenmechanik hat es den Physikern nicht nur ermöglicht, alle Rätsel zu lösen, die sich im Bereich der Atomspektren angesammelt haben. Sie hat die gesamte Chemie auf ein solides theoretisches Fundament gestellt. Endlich wurde die geheime Bedeutung der Ordnungszahl im Periodensystem verstanden! Die wahre Bedeutung von Valenz wurde klar und die Natur der chemischen Bindung, die Atome in Molekülen zusammenhält, wurde geklärt.
In den frühen 1930er Jahren hatten Physiker ein Gefühl der Allmacht. Bei Atomen ist also alles klar, bei Molekülen auch, was gibt es noch? Ja, es ist nicht klar, wie der Atomkern funktioniert. Wir haben uns mit dem Kern beschäftigt. „Nun, hier gibt es kaum Arbeit für alle“, dachten sich die Führer. "Ich sollte mir etwas Größeres einfallen lassen." Und ihr Blick richtete sich auf das Allerheiligste, auf das Physiker vorher nicht einmal denken konnten – auf das Leben selbst. Wird die neue Physik dazu beitragen, das Geheimnis des Lebens zu lüften? Oder stellt sich im Gegenteil heraus, dass das Leben der Quantenmechanik widerspricht und Sie dann wieder neue Gesetze erfinden müssen? Dies wäre besonders interessant.
Damals suchte der junge deutsche theoretische Physiker Max Delbrück etwas nach seinem Geschmack. Er versuchte, Quantenchemie zu betreiben, dann Kernphysik. Interessant natürlich, aber nicht sehr. Und so bekam er während eines Praktikums am Bohr-Institut in Kopenhagen im August 1932 einen Vortrag von Bohr auf dem internationalen Kongress für Lichttherapie. Der Vortrag hieß "Licht und Leben". Darin teilte Bohr seine Gedanken zum Problem des Lebens im Zusammenhang mit den neuesten Errungenschaften der Quantenmechanik. Und obwohl Delbrück damals ein absoluter Laie in der Biologie war, inspirierte ihn Bohrs Vortrag so sehr, dass er sich fest entschloss, sich dieser Wissenschaft zu widmen. Zurück in Berlin suchte Delbrück nach Kontakten zu Biologen. Er hatte Glück. Zu dieser Zeit arbeitete der russische Genetiker Nikolai Vladimirovich Timofeev-Resovsky in Berlin.
Delbrück begann, Physikerfreunde bei sich zu Hause zu versammeln. Er lud Timofeev-Resovsky ein und verbrachte Stunden damit, ihnen seine Wissenschaft - Genetik - beizubringen. Während er sprach, rannte Timofeev-Ressovsky wie üblich von Ecke zu Ecke wie ein Tiger im Käfig. Er sprach von Mendels mathematisch strengen Vererbungsgesetzen. Über Gene und über die wunderbare Arbeit von Morgan, der bewies, dass Gene in Chromosomen in einer Kette angeordnet sind - kleine wurmartige Körper, die in Zellkernen vorkommen. Er sprach über die Fruchtfliege Drosophila und über Mutationen, also über die Veränderungen von Genen, die durch Röntgenstrahlen verursacht werden können. An dieser letzten Ausgabe arbeitete er zusammen mit dem Experimentalphysiker Zimmer.
Delbrück war sehr an ihrer Arbeit interessiert. Im Allgemeinen stimmte in der Genetik so viel mit der Quantenmechanik überein, dass es atemberaubend war. Schließlich brachte die Quantenmechanik die Diskretion, die Diskontinuität in die Physik. Sie machte auch den Zufall ernst. Und jetzt stellt sich heraus, dass Biologen auch ein diskretes unteilbares Teilchen (Gen) entdeckt haben, das versehentlich vom Grundzustand (Genetiker nennen es "Wildtyp") in einen "erregten", "mutierten" Zustand übergeht.
Was ist ein Gen? Wie funktioniert es? Darüber wurde bei Delbrücks Abenden oft gestritten. Timofeev-Resovsky sagte, dass diese Frage für Genetiker in der Tat von geringem Interesse sei. Für sie war das Gen das, was für Physiker das Elektron war – ein Elementarteilchen der Vererbung.
„Hier, ich frage Sie“, sagte Timofeev-Resovsky einmal, als sie besonders eindringlich von ihm verlangt wurden, die Frage nach der Struktur des Gens zu beantworten, „woraus besteht das Elektron?“Alle lachten. "Sehen Sie, auch Genetiker lachen, wenn sie gefragt werden, woraus ein Gen besteht." „Die Frage, was ein Gen ist, liegt außerhalb des Rahmens der Genetik, und es macht keinen Sinn, sie an Genetiker zu richten“, fuhr Timofeev fort. "Ihr Physiker müsst die Antwort darauf suchen."
"Nun, trotzdem", beharrte Delbrück, "gibt es wirklich keine Hypothesen, auch keine rein spekulativen?" Timofeev-Ressovsky dachte kurz nach und rief: „Na klar! Mein Lehrer Nikolai Konstantinovich Koltsov glaubt, dass ein Gen ein Polymermolekül ist, höchstwahrscheinlich ein Proteinmolekül. "Also, was erklärt das?" - schrie der lange Delbrück den breitschultrigen, mächtigen Timofeev-Ressovsky an. „Werden wir anhand dessen, was wir ein Gen ein Protein nennen, verstehen, wie Gene dupliziert werden? Schließlich ist dies das Hauptgeheimnis! Sie haben uns selbst erzählt, wie die charakteristische Lippenform in der Familie Habsburg von Generation zu Generation weitergegeben wurde? Was ermöglicht seit Jahrhunderten ein so präzises Kopieren von Genen? Was ist der Mechanismus? Gibt uns die Chemie solche Beispiele? Jedenfalls habe ich so etwas noch nie gehört. Nein, hier braucht es eine ganz andere Idee. Hier liegt wirklich ein Mysterium. Großes Geheimnis. Vielleicht ein neues Naturgesetz. Die Hauptfrage ist nun, wie man das experimentell angeht“.
Dank Timofeev-Ressovsky wurde Delbrück ziemlich gut darin, die Genetik zu verstehen. Hauptsache, ihm war diese teuflische Terminologie nicht mehr peinlich, als sei er eigens erfunden worden, um den Uneingeweihten zu verscheuchen. Als er sich früher zufällig die Reden von Genetikern anhörte, fragte er sich, warum sie eine spezielle Kauderwelschsprache entwickeln mussten. Sind das nicht Gauner? Schließlich sind es Kriminelle, die ihren eigenen Fachjargon erfinden, damit ihre kriminellen Absichten für ihre Umgebung nicht verständlich sind.
Die Bekanntschaft mit Timofeev-Resovsky änderte seine Einstellung gegenüber Genetikern. Und selbst der berühmte Satz, mit dem Genetiker besonders gerne Uneingeweihte verblüffen, „ein rezessives Allel beeinflusst den Phänotyp nur, wenn der Genotyp homozygot ist“, schien ihm nicht nur glasklar, sondern geradezu schön. Verdammt, dachte er. "Aber das kann man wirklich nicht anders sagen!"
Phagengruppe
Das große Geheimnis, das sich hinter dem Kurzwort „Gen“verbirgt, hat Delbrück schließlich gefesselt. Wie kommt es bei der Zellteilung zur Verdoppelung oder, im Jargon, zur Replikation von Genen? Delbrück war besonders aufgeregt, als er von der Existenz bakterieller Viren oder, wie sie häufiger genannt werden, Bakteriophagen (wörtlich „Bakterienfresser“) erfuhr.
Diese erstaunlichen Teilchen, die nicht als lebendig bezeichnet werden können, verhalten sich außerhalb der Zelle wie große Moleküle - sie lassen sogar Kristalle daraus wachsen. Aber wenn das Virus in die Zelle eindringt, platzt nach 20 Minuten die Zellmembran und hundert absolut exakte Kopien des ursprünglichen Partikels fallen heraus. Delbrück dämmerte, dass es viel einfacher wäre, den Replikationsprozess (Genverdoppelung) an Bakteriophagen zu studieren als an Bakterien, ganz zu schweigen von Tieren; vielleicht wird es endlich möglich sein zu verstehen, wie das Gen funktioniert. Das ist der Hinweis, dachte Delbrück. - Dies ist ein sehr einfaches Phänomen, viel einfacher als die Teilung einer ganzen Zelle. Es wird nicht schwer sein, es hier herauszufinden. In der Tat ist es notwendig zu sehen, wie sich die äußeren Bedingungen auf die Vermehrung von Viruspartikeln auswirken. Es ist notwendig, Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen, in unterschiedlichen Umgebungen und mit unterschiedlichen Viren durchzuführen."
So wurde aus dem theoretischen Physiker ein Experimentalbiologe. Aber Denken – Denken blieb rein physisch.
Und die Hauptsache ist das Ziel. Es gab keinen anderen Menschen auf der ganzen Welt, der sich mit Viren befasste, um die physikalische Struktur eines Gens aufzudecken.
1937 verließ Delbrück Nazi-Deutschland. In diesem in vielerlei Hinsicht bedeutsamen Jahr begann die Rockefeller Foundation, Arbeiten zur Anwendung physikalischer und chemischer Ideen und Methoden in der Biologie zu subventionieren. Warren Weaver, der Fondsmanager, besuchte Berlin und schlug Delbrück vor, in die USA zu gehen, um sich ganz dem Problem der Bakteriophagen-Replikation zu widmen. Weaver, selbst in Physik und Mathematik ausgebildet, verstand die Bedeutung von Delbrücks Werk. (Er war übrigens der erste, der ein neues Wissenschaftsgebiet benannte, dessen finanzielle Unterstützung durch die Rockefeller Foundation begann, die Molekularbiologie.) Natürlich beeilte sich Delbrück, die ihm gebotene Gelegenheit zu nutzen, denn Das Leben in Deutschland wurde einfach unerträglich.
In Amerika scharte Delbrück eine Handvoll Enthusiasten um sich, die von seiner Idee angesteckt waren, die Natur der Vererbung an Bakteriophagen zu studieren. So entstand die "Phagengruppe". Im Laufe der Jahre lernten die Mitglieder der Phagengruppe immer mehr darüber, wie eine Phageninfektion abläuft und wie der Fortpflanzungsprozess der Phagennachkommen von äußeren Bedingungen usw. Bakteriophagen abhängt. Für die Arbeiten dieser Zeit wurde Delbrück viele Jahre später der Nobelpreis verliehen, und ich bespreche seine wichtigsten Arbeiten dieser Zeit in Kapitel 6. Problem: das Problem der physikalischen Natur des Gens.
Wie so oft in der Wissenschaft, begannen Menschen, die sich zusammenschlossen, um eine große und sehr wichtige Aufgabe zu lösen, nach und nach bestimmte Fragen gewissenhaft zu studieren, wurden ehrwürdige Spezialisten auf dem einen oder anderen engen Gebiet, sahen aber die ursprünglichen Ziele nicht mehr. Reisende sehen also von weitem leuchtende Berggipfel, aber wenn sie sich ihnen nähern, befinden sie sich in den bewaldeten Ausläufern, von wo aus diese Gipfel nicht mehr sichtbar sind. Außerdem wimmelt es in diesen Wäldern von Beeren, Pilzen und anderen kleinen Freuden.
Wandert man lange am Vorland entlang, wirken die schneebedeckten Gipfel aus der Ferne nach und nach wie eine Fata Morgana. Ja, höchstwahrscheinlich waren dies nur Wolken, ähnlich wie verschneite Berge. Aber wenn es wirklich Berge waren, warum dann dorthin eilen? Denn hier, in den fast unberührten Wäldern, ist es so gut. Damit sich Reisende wieder an das Hauptziel erinnern können, ist eine laute Stimme des Anführers erforderlich.
Und eine solche Stimme erklang – es war die Stimme von Erwin Schrödinger, dem Autor der Grundgleichung der Quantenmechanik.
Erwin Schrödinger
Über die Entstehungsgeschichte der Quantenmechanik sind Berge von populärwissenschaftlicher und historischer Literatur geschrieben worden. Die gigantische Gestalt von Niels Bohr nimmt in all diesen Büchern zu Recht den zentralen Platz ein. Aber nimm irgendein Lehrbuch der Quantenmechanik. Sie werden sehen, dass die Schrödinger-Gleichung das A und O dieser Wissenschaft ist. Natürlich wurde die Quantenmechanik wie jede andere Wissenschaft durch die Bemühungen vieler bemerkenswerter Wissenschaftler geschaffen. Zweifellos wurde Schrödinger radikal von de Broglies genialer Vermutung über die Wellen der Materie beeinflusst. Das ist alles wahr. Aber Schrödinger hat dennoch den entscheidenden Schritt getan. Er brachte alles zusammen, was sich vor ihm angesammelt hatte, um einen bemerkenswerten Sprung von intellektuellem Mut und Kraft zu wagen.
Obwohl Schrödingers Name in der Öffentlichkeit nicht so bekannt ist wie die Namen Einstein und Bohr, wird er in Physiker- und Chemikerkreisen zutiefst verehrt. 1944 erschien sein kleines Buch unter dem eingängigen Titel What is Life?, das die Beziehung zwischen der neuen Physik und der Genetik thematisierte. Das Buch fand anfangs fast keine Beachtung. Der Krieg ging weiter, und die meisten, an die dieses Buch gerichtet war, stürzten sich kopfüber in wissenschaftliche und technische Probleme, von deren Lösung der Ausgang des Kampfes mit Nazi-Deutschland weitgehend abhing.
Doch nach Kriegsende tauchten viele Spezialisten auf, vor allem unter Physikern, die alles von vorne beginnen mussten, wieder einen Platz in der friedlichen Wissenschaft suchen - für sie erwies sich Schrödingers Buch als sehr nützlich.
In seinem Buch (in russischer Sprache wurde es erstmals 1947 veröffentlicht) hat Schrödinger zunächst die Grundlagen der Genetik sehr anschaulich und prägnant dargestellt. Physiker hatten die einmalige Gelegenheit (und in der brillanten Präsentation ihres illustren Kollegen) herauszufinden, was die Essenz dieser verschwommenen Kauderwelsch-Terminologie und doch mysteriös attraktiver Wissenschaft ist. Aber das ist nicht genug. Schrödinger popularisierte und entwickelte die Ideen von Delbrück und Timofeev-Ressovsky zum Verhältnis von Genetik und Quantenmechanik. Diese Ideen wurden zwar von Physikern vorgebracht, die ihnen jedoch keine besondere Bedeutung beimaßen. Aber als Schrödinger selbst darüber sprach …
Laut all denen, die in den Folgejahren das Genproblem gestürmt haben, darunter auch die Hauptfiguren Watson, Crick und Wilkins, diente Schrödingers Buch als wichtiger Anstoß für diesen Sturm. Schrödinger war genau diejenige, die rief: „Hier sind sie, leuchtende Gipfel, schau, sie sind ganz nah. Warum zögerst du?"
Röntgenstrukturanalyse
Unter den Orten, an denen Schrödingers Appell gehört wurde, sollten zwei englische Wissenschaftszentren eine besonders große Rolle spielen: das berühmte Cavendish Laboratory in Cambridge, dessen Leiter Rutherford einst war, und das King's College in London. Hier spielten sich die letzten Szenen des Dramas ab, deren Abschluss die Aufklärung der physikalischen Natur des Gens war.
Die Szene war kein Zufall. In Großbritannien entstand zu dieser Zeit (Anfang der 1950er Jahre) die weltweit mächtigste wissenschaftliche Schule der Röntgenstrukturanalyse. Und diese Methode erwies sich als das Werkzeug, das den Physikern half, in das Geheimnis des Lebens einzudringen.
Die Quantenmechanik war die theoretische Grundlage, um die innere Struktur der uns umgebenden Substanzen zu verstehen - Atome, Moleküle und alle Arten von Materialien, die daraus bestehen, sei es ein Stück Eisen oder ein Kristall aus gewöhnlichem Kochsalz. Aber die Vielfalt der Strukturen, die aus Atomen gewonnen werden können, ist immens. Woher wissen Sie, was die Struktur eines bestimmten Materials ist? Hier hilft Theorie meist nicht viel. Gewisse Annahmen kann man natürlich machen, aber mit Sicherheit kann man das nicht behaupten – es gibt zu viele denkbare Möglichkeiten. Es wird eine experimentelle Methode benötigt, die es ermöglicht, den atomaren Aufbau der Materie direkt aufzuklären. Röntgenstrukturanalyse ist eine solche Methode.
Röntgenstrahlen sind jedem bekannt – sie leuchten durch, wenn Sie sich ein Bein brechen oder eine Lungenentzündung bekommen. Die physikalische Natur dieser Strahlen ist die gleiche wie die von sichtbarem Licht oder Radiowellen. Dies sind alles verschiedene Varianten elektromagnetischer Strahlung, die sich nur in der Wellenlänge unterscheiden. Röntgenstrahlen zeichnen sich durch eine Wellenlänge in der Größenordnung von 10–10 m aus, der Abstand zwischen Atomen in Molekülen und Kristallen ist gleich groß. Dieser Umstand führte den deutschen Physiker Max von Laue zu der Idee, dass beim Durchdringen von Röntgenstrahlen durch einen Kristall, in dem sich die Atome streng regelmäßig befinden, ein Beugungsmuster erscheinen sollte, ähnlich dem, das beobachtet wird, wenn sichtbares Licht ein Beugungsgitter passiert.
Experimente, die 1912 durchgeführt wurden, bestätigten diese Vermutung vollständig. Wenn ein Röntgenstrahl auf einen Kristall gerichtet wurde, hinter dem eine fotografische Platte platziert war, fand sich nach der Entwicklung der fotografischen Platte ein bizarres, aber sehr regelmäßiges System von Flecken darauf (Abb. 1). Schnell wurde klar, dass man anhand der Verteilung der Flecken auf dem Röntgenbeugungsmuster und ihrer Helligkeit die relative Lage der den Kristall bildenden Atome oder Moleküle und bei Molekülen sogar deren innere Struktur beurteilen kann. So entstand die Methode der Röntgenstrukturanalyse. Den größten Beitrag zu seiner Entwicklung leisteten die britischen Wissenschaftler Henry (Vater) und Lawrence (Sohn) Braggie. Die Röntgenbeugungsanalyse hat es ermöglicht, die Struktur aller Mineralien sowie unzähliger Moleküle genau zu bestimmen.
Nach und nach wandten sich die "Röntgenstrukturalisten" immer komplexeren Untersuchungsobjekten zu und wandten sich schließlich in den 1930er Jahren biologischen Molekülen zu. Schon nach den ersten Versuchen wurde jedoch klar, dass die Lösung des Problems noch immer außerhalb ihrer Möglichkeiten lag. Zunächst einmal ist es sehr schwierig, Kristalle aus biologischen Molekülen zu gewinnen. Aber selbst wenn es erfolgreich war, erzeugten Zehntausende von Atomen, die in jedem Molekül enthalten sind, ein so bizarres Muster auf dem Röntgenbeugungsmuster, dass es einfach unmöglich war, die Koordinaten dieser gesamten Atommasse daraus zu rekonstruieren. Es dauerte viele Jahre, bis Wissenschaftler gelernt hatten, wie man solch komplexe Probleme löst.
Diese Schwierigkeiten wurden im Cavendish Laboratory in den Vor- und Nachkriegsjahren überwunden. Die Bemühungen des Labors unter der Leitung von Lawrence Bragg konzentrierten sich auf die Bestimmung der räumlichen Struktur von Proteinen. Das ist verständlich. In jenen Jahren war jeder davon überzeugt, dass das Hauptmolekül der belebten Natur ein Proteinmolekül ist. Tatsächlich sind Enzyme, also Moleküle, die alle möglichen chemischen Umwandlungen in der Zelle durchführen, immer Proteine. Protein ist der Hauptbaustein der Zelle. Es überrascht nicht, dass allgemein angenommen wurde, dass Gene aus Proteinen hergestellt werden. Es schien ohne Zweifel, dass der Weg zur Entschlüsselung aller Geheimnisse des Lebens über das Studium der Struktur von Proteinen führte.
Protein ist ein Polymermolekül mit monomeren Einheiten, deren „Bausteine“Aminosäurereste sind (Abb. 2). Aminosäurereste sind immer streng linear angeordnet, Schulter an Schulter, wie Soldaten, die stramm stehen. Dies ist jedoch die Struktur eines biologisch aktiven Proteins und eines Proteins, das beispielsweise auf 60 ° C erhitzt wird, wenn es seine biologische Aktivität bereits vollständig verliert. Das bedeutet, dass eine chemische Struktur eines Proteins, also eine Abfolge von Aminosäureresten, nicht ausreicht, um das Protein biologisch aktiv zu machen. Eine ganz bestimmte Packung im Raum der in Abb. 1 kodierten Gruppen. 2 in Form von abgekürzten Namen von Aminosäuren, die eigentlich gar keine Kreise oder Kugeln sind, sondern jeweils eine ganz eigene, sehr skurrile Form haben. Dies spricht dafür, die räumliche Struktur des gesamten Proteinmoleküls anhand von Röntgenbeugungsmustern der in Abb. 1, und es gab einen langwierigen Kampf innerhalb der Mauern des Cavendish Laboratory. Erst Mitte der 1950er Jahre gelang es John Kendrew und Max Perutz, die dreidimensionale Struktur von Proteinen zu bestimmen. Dies geschah, nachdem das Problem der Genstruktur gelöst war, mit dem Proteine, wie sich herausstellte, nichts zu tun haben.
Watson und Creek
Von denen, die auf Schrödingers Ruf folgten, hatten zwei das Glück, als Erster die Spitze zu erklimmen. Sie waren ein sehr junger Schüler der Phagengruppe, Jim Watson, und ein nicht ganz so junger, aber damals wenig bekannter Mitarbeiter des Cavendish Laboratory, Francis Crick.
Besessen von der Idee, herauszufinden, wie das Gen funktioniert, und der Überzeugung, dass sich die Phagengruppe diese Aufgabe nicht leisten kann, gelang es Watson 1951, zur Arbeit nach Europa geschickt zu werden. Er ließ sich bald im Cavendish Laboratory nieder, als er dort Crick traf, der den gleichen Kampfgeist hatte wie er. Zu diesem Zeitpunkt war Watson bereits überzeugt, dass der Schlüssel zur Entschlüsselung des Mysteriums des Gens keineswegs in der Bestimmung der Proteinstruktur, sondern in der Aufklärung der DNA-Struktur lag.
Eigentlich war das Desoxyribonukleinsäure-Molekül, das ist der unbeholfene Name hinter der Abkürzung von DNA, nichts Neues. Es wurde bereits 1868 vom Schweizer Arzt Fritz Miescher in den Zellkernen entdeckt. Es wurde dann gezeigt, dass die DNA in Chromosomen konzentriert ist, und dies scheint über ihre mögliche Rolle als genetisches Material zu sprechen. In den 1920er und 1930er Jahren war jedoch die Meinung fest verankert, dass die DNA ein regelmäßiges Polymer ist, das aus sich streng wiederholenden Vieren von monomeren Einheiten (Adenin, Guanin, Thymin und Cytosin) besteht und dieses Molekül daher keine genetische Information tragen kann.
Es wurde angenommen, dass die DNA eine strukturelle Rolle in den Chromosomen spielt und Gene aus einem Protein bestehen, das Teil der Chromosomen ist. Was veranlasste Watson und Crick, die Gültigkeit des Konzepts der Proteinnatur des Gens in Frage zu stellen? Die Hauptrolle spielte dabei die bis 1944 fertiggestellte Arbeit dreier amerikanischer Bakteriologen der Rockefeller University unter der Leitung von O. Avery. Avery hat viele Jahre lang das Phänomen der genetischen Transformation untersucht, das in Experimenten mit Pneumokokken, den Erregern der Lungenentzündung (Pneumonie), entdeckt wurde. Diese erstaunlichen Erfahrungen waren wie folgt. Wir haben zwei Arten von Pneumokokken genommen. Einige waren in der Lage, Krankheiten zu verursachen, andere nicht. Dann wurden die pathogenen Zellen durch Erhitzen abgetötet und ihnen wurden lebende "harmlose" Zellen zugesetzt. Und es stellte sich heraus, dass einige der lebenden Zellen nach dem Kontakt mit den Toten irgendwie "lernten", Krankheiten zu verursachen. Es stellte sich heraus, dass lebende Zellen irgendwie von toten Zellen umgewandelt wurden. Daher der Name des Phänomens: genetische Transformation. Es war klar, dass bei diesen Experimenten etwas von abgetöteten Bakterien auf lebende übertragen wurde. Aber was? Diese Frage wurde von Avery und seinen Co-Autoren beantwortet. Und obwohl ihre Arbeit in einer medizinischen Zeitschrift veröffentlicht wurde, interessierten sich Genetiker, Chemiker, Physiker und nicht Ärzte dafür. In dieser akribisch durchgeführten Arbeit wurde gezeigt, dass während der Transformation die Fähigkeit, Krankheiten zu verursachen, mit nur einer Substanz - DNA - von einem abgetöteten Bakterium auf ein lebendes übertragen wird. Weder Proteine noch andere Zellbestandteile spielen bei der Übertragung eines Merkmals während der Transformation eine Rolle. Tatsächlich gilt diese Arbeit von Avery heute als die erste Arbeit, in der nachgewiesen wurde, dass die Substanz der Vererbung, oder Gene, genau das DNA-Molekül ist.
Es stellt sich also heraus, dass Avery und seine Assistenten und nicht Watson und Creek die ersten waren, die den Gipfel erreichten?
Zweifellos hat Avery einen sehr wichtigen Schritt in die richtige Richtung getan, aber er hat es nicht an die Spitze geschafft. Einstein sagte einmal Worte, die in ihrer Tiefe verblüffen: "Nur die Theorie entscheidet, was wir zu beobachten schaffen." Avery hatte nichts auf Lager, was man Theorie nennen könnte, und zog es vor, sich auf eine trockene Tatsachenbehauptung zu beschränken. Dennoch war die Unstimmigkeit seiner Daten mit dem Konzept der Proteinnatur des Gens offensichtlich.
Genetiker standen vor der Wahl - entweder Averys Daten nicht zu glauben oder zuzugeben, dass die Substanz der Vererbung nicht Protein war, wie allgemein angenommen, sondern DNA. Es war schwer, Avery zu widerlegen - es gab einfach nichts an seiner Arbeit zu bemängeln. Aber es war nicht so einfach, die etablierten Vorstellungen über die Proteinnatur des Gens aufzugeben. Averys Experimente wurden folgendermaßen erklärt: DNA enthält und kann natürlich keine Gene enthalten. Aber es kann Mutationen verursachen, also Gene verändern, die, wie sie sollten, aus Protein bestehen. Die DNA erwies sich zwar als sehr ungewöhnliches Mutagen, das von Erfahrung zu Erfahrung dieselben Mutationen verursacht, im Gegensatz zu gewöhnlichen Mutagenen, die Mutationen auf zufällige, ungerichtete Weise verursachen. Dies konnte die Genetiker interessieren, die seit langem nach Wegen gezielter Veränderungen in der Vererbung suchen. So war es möglich, die scheinbar bereits ausstrahlende Proteintheorie des Gens zu retten, aber gleichzeitig waren Genetiker und alle, die sich mit dem Problem der chemischen (oder physikalischen) Natur der Vererbung beschäftigten, endlich gezwungen, diese ernsthafte Aufmerksamkeit zuzugeben sollte an DNA bezahlt werden.
Averys Arbeit ließ also Zweifel aufkommen, dass die DNA nur ein Polymermolekül ist, das eine strukturelle Rolle in Chromosomen spielt. Es wurde klar, dass da noch etwas anderes in der DNA steckt … Aber - mehr nicht. Die Theorie, die entschied, was Avery tatsächlich beobachtete, war das Modell der Struktur des DNA-Moleküls, das 1953 von Watson und Crick erfunden wurde.
Watson und Crick hatten keine eigenen experimentellen Daten. Im Allgemeinen machte zu dieser Zeit im Cavendish Laboratory, wo Crick arbeitete und Watson trainierte, niemand DNA. Es wurde von Maurice Wilkins und Rosalind Franklin am King's College London unterrichtet.
Die Untersuchung von DNA mit Röntgenbeugungsanalyse hat sich als noch schwieriger als Protein erwiesen. Die DNA-Moleküle kristallisierten nicht richtig und ergaben sehr schlechte Röntgenbeugungsmuster wie das in Abb. 3. Es gab nicht einmal den Versuch, mit Hilfe solcher Röntgenbeugungsmuster das inverse Problem der Röntgenstrukturanalyse zu lösen, dh zu lernen, die räumliche Struktur eines Moleküls wiederherzustellen, wie es Perutz und Kendrew versuchten für Proteine tun.
Dennoch gelang es uns, einige sehr wichtige Parameter des Moleküls zu extrahieren. Diese von R. Franklin gewonnenen Parameter sowie detaillierte Daten zur chemischen Struktur der DNA wurden von Watson und Crick als Grundlage für ihre Arbeit genommen. Ihr Verhalten war eher wie ein Spiel. Sie wussten, wie die einzelnen Elemente angeordnet sind – die monomeren Einheiten der DNA. Aus diesen Elementen, wie aus den Teilen eines Kinderdesigners, war es notwendig, eine den Röntgendaten entsprechende Struktur zusammenzusetzen. Das Ergebnis dieses "Spiels" war eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungen in der Geschichte der Menschheit.
Eigentlich ist dieses ganze Buch dem gewidmet, was dabei passiert ist. Wir werden Ihnen nach und nach alle Hauptmerkmale der Struktur des DNA-Moleküls erzählen und über die schwindelerregenden Konsequenzen für das Verständnis der Grundlagen des von ihnen geführten Phänomens des Lebens und wie die daraus resultierende Biotechnologie in unser tägliches Leben eindrang und die Landwirtschaft, die Forensik und die Wissenschaft revolutionierte. Gesundheitspflege. Aber lassen Sie uns zunächst im Watson- und Crick-Modell nur seine Essenz hervorheben, das wichtigste "Highlight".
Nach dem Modell von Watson und Crick besteht ein DNA-Molekül also aus zwei Polymerketten. Jede Kette besteht aus vier Arten von Gliedern - A (Adenin), G (Guanin), T (Thymin) und C (Cytosin). Die Reihenfolge der Glieder in jeder Kette kann völlig beliebig sein. Aber diese Sequenzen in einem DNA-Molekül sind durch das folgende Prinzip der Komplementarität oder Komplementarität strikt miteinander verwandt (Abb. 4):
Gegen A muss T stehen, gegen T muss A sein, gegen G muss C sein, gegen C muss G sein.
Bei der Entdeckung dieser Komplementaritätsregel, die das wichtigste "Highlight" des Watson- und Crick-Modells ist, spielten die Daten über das Verhältnis, in dem verschiedene Verknüpfungen, dh Nukleotide, in der DNA vorkommen, eine sehr große Rolle. Diese Daten wurden etwas früher in den bemerkenswerten chemischen Arbeiten von Erwin Chargaff gewonnen.
Wenn Atome innerhalb jeder Polymerkette durch sehr starke kovalente Bindungen zusammengehalten werden, dann wirken vergleichsweise schwache Wechselwirkungen zwischen komplementären Ketten, ähnlich denen, die Moleküle in Kristallen nahe beieinander halten.
Das auffälligste Merkmal des Watson-Crick-Modells war, dass es das wichtigste Problem – das Problem der Genreplikation – mit außergewöhnlicher Anmut löste. Trennen wir zwei Ketten auseinander und bauen dann auf jeder nach dem Prinzip der Komplementarität eine neue Kette auf, dann erhalten wir zwei aus einem DNA-Molekül, und beide sind mit der ursprünglichen identisch (Abb. 5).
Man kann sich vorstellen, wie aufgeregt Delbrück war, als er einen Brief von Watson erhielt, der die endgültige Lösung des Genduplikationsrätsels enthielt. Er glaubte sofort und bedingungslos an das vorgeschlagene Modell. Beeindruckt von Watsons Brief schrieb Delbrück an Bohr die Worte, die als Epigraph für dieses Kapitel gelten.
Nicht nur Delbrück, viele waren sofort von der Schönheit des Modells Watson und Crick fasziniert. Und obwohl sich einige Genetiker weiterhin fanatisch an Eichhörnchen klammerten, blieb ihr einziges Argument diese allgemeine Überlegung: Es konnte nicht sein, dass so etwas Komplexes wie das Leben im Grunde so einfach war. Das Argument ist, ehrlich gesagt, nicht stichhaltig.
So wurde festgestellt, dass die DNA das wichtigste Molekül der lebenden Natur ist. Nein, neue physikalische Gesetze in der Biologie wurden nicht entdeckt. Aber das zentrale Problem, das Problem der Struktur des Gens, wurde gelöst.
Heute, mehr als ein halbes Jahrhundert später, kann man sagen, dass die Entdeckung der Struktur der DNA für die Entwicklung der Biologie dieselbe Rolle spielte wie die Entdeckung des Atomkerns in der Physik. Die Aufklärung der Struktur des Atoms führte zur Geburt einer neuen Quantenphysik, und die Entdeckung der Struktur der DNA führte zur Geburt einer neuen Molekularbiologie. Aber die Parallele endet hier nicht. Rein theoretische, grundlegende Untersuchungen des Atoms ermöglichten es dem Menschen, eine schier unerschöpfliche Energiequelle zu beherrschen und veränderten unseren Alltag dank Computer, Internet und Mobiltelefon radikal. Die Entwicklung der Molekularbiologie hat die Möglichkeit eröffnet, auf ungeahnte Weise in die Eigenschaften einer lebenden Zelle einzugreifen, die darauf abzielt, die Vererbung zu verändern. Dies fängt bereits an, das Leben der Menschen nicht weniger radikal zu beeinflussen als die Beherrschung der Energie des Atomkerns und die universelle Verbreitung des Internets. Wir sind bereits in das Zeitalter der DNA eingetreten.
Weiterlesen:
Frank-Kamenetsky, Maxim. Das wichtigste Molekül. Von der DNA-Struktur zur Biomedizin des 21. Jahrhunderts. - M.: Alpina Sachbuch, 2017.-- 336 S.
