Уотсон и крик что открыли
Открытие ДНК Уотсоном и Криком
Вклад в науку Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона
Открыли ли Уотсон и Крик подлинную структуру ДНК?
28 февраля 1953 года, четверг. В заведении «Игл Паб» в Кембридже наплыв посетителей, туристов и местных — как раз обеденное время. Вдруг распахивается дверь, и внутрь вбегают два молодых человека. Они подходят к бару и громко заказывают напитки. «У нас праздник, — говорит тот, что повыше. — Мы открыли секрет жизни!»
Совершив невероятный научный подвиг, Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон разгадали структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, более известной по сокращению ДНК. В этом им помогали коллеги Розалинд Франклин и Морис Уилкинс. ДНК присутствует в миллиардах клеток, составляющих наше тело. Это химическое соединение, которое является носителем генетической информации и содержит «инструкции» по построению организма.
Молекула ДНК похожа на лестницу. В ступеньках лестницы, подобно буквам алфавита, закодирована информация. Эти длинные цепочки образуют инструкции, так же как из букв собираются слова. Каждая такая инструкция (участок спирали ДНК) называется геном. Один ген может означать «цвет глаз — синий», другой — «цвет волос — каштановый». Набор генов разный у всех людей, кроме близнецов.
Благодаря открытиям Крика, Уотсона и других ученых мы научились лечить многие болезни, вызванные ошибками в генах. Мы можем отыскать преступника по оставленным им следам ДНК. Открытие ДНК заложило основы проекта «Человеческий геном», который исследует генные наборы разных людей. Так мы узнаем, какие части молекулы ДНК отвечают за те или иные свойства организма.
Гонка за ДНК
Разгадав структуру молекулы ДНК, Крик и Уотсон обошли другого известного исследователя, Лайнуса Полинга. За несколько недель до их триумфа Полинг ошибочно объявил о своей победе.
ДНК: история одной макромолекулы
25 апреля – День ДНК!
Открытие ДНК произошло в 1869 году швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером, но потребовалось более 80 лет, чтобы важность этого открытия была полностью осознана. И даже сегодня, по прошествии более 150 лет, новые исследования и технологии продолжают предлагать более глубокое понимание вопроса: почему важна ДНК?
Наследственный материал человека, известный как дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, представляет собой длинную молекулу, содержащую информацию, необходимую организму для развития и размножения. ДНК находится в каждой клетке тела и передается от родителя к ребенку.
ДНК является самовоспроизводящимся материалом, который есть в каждом живом организме. Проще говоря, это носитель всей генетической информации. Он содержит своеобразные инструкции, необходимые организму для развития, роста, размножения. Это одна длинная молекула, которая содержит наш генетический «код». Этот «код» является отправной точкой для нашего развития, но влияние внешних факторов, таких как наш образ жизни, окружающая среда и питание, в конечном итоге формируют человека.
Из чего состоит ДНК?
ДНК человека уникальна тем, что состоит из почти 3 миллиардов пар оснований, и около 99 процентов из них одинаковы для каждого человека. Тем не менее, именно последовательность этих оснований определяет, каким будет этот организм.
Подумайте о ДНК как об отдельных буквах алфавита — буквы объединяются друг с другом в определенном порядке, образуя слова, предложения и истории. Та же самая идея верна для ДНК: то, как азотистые основания упорядочены в последовательностях ДНК, формирует гены, которые «говорят» вашим клеткам, как производить белки. Рибонуклеиновая кислота (РНК), другой тип нуклеиновой кислоты, образуется в процессе транскрипции (при репликации ДНК). Функция РНК заключается в том, чтобы транслировать генетическую информацию из ДНК в белки, когда она декодируется рибосомой.
ДНК содержит жизненно важную информацию, которая передается из поколения в поколение. Молекулы ДНК в ядре клетки плотно обвиваются, образуя хромосомы, которые помогают хранить важную информацию в виде генов.
ДНК работает путем копирования себя в эту одноцепочечную молекулу под названием РНК. РНК похожа на ДНК, но она содержит некоторые существенные молекулярные различия, которые выделяют ее. РНК действует как посланник, передавая жизненно важную генетическую информацию в клетке от ДНК через рибосомы для создания белков, которые затем образуют все живое.
Как была обнаружена ДНК?
Кто открыл ДНК?
Полный ответ на вопрос, кто открыл ДНК, сложен, потому что, по правде говоря, многие люди внесли свой вклад в то, что мы знаем об этом сейчас.
1866 — Грегор Мендель, известный как «Отец генетики», был фактически первым, кто предположил, что характеристики передаются из поколения в поколение. Мендель обосновал термины, которые мы все знаем сегодня: рецессивные и доминирующие признаки.
1869 — Фридрих Мишер идентифицировал «нуклеин», выделив молекулу из ядра клетки, которая впоследствии стала известна как ДНК.
1881 — лауреат Нобелевской премии немецкий биохимик Альбрехт Коссель, которому приписывают наименование ДНК, идентифицировал нуклеин как нуклеиновую кислоту. Он также выделил те пять азотистых оснований, которые в настоящее время считаются основными строительными блоками ДНК и РНК: аденин (A), цитозин ©, гуанин (G) и тимин (T) (который заменяется урацилом (U). ) в РНК).
1882 — Вскоре после открытия Косселя Вальтер Флемминг обнаружил митоз в 1882 году, став первым биологом, который выполнил полностью систематическое исследование деления хромосом. Его наблюдения, что хромосомы удваиваются, важны для позже обнаруженной теории наследования.
Начало 1900-х годов — Теодор Бовери и Уолтер Саттон независимо работали над тем, что сейчас известно как теория хромосом Бовери-Саттона или хромосомная теория наследования. Их выводы являются основополагающими в нашем понимании того, как хромосомы переносят генетический материал и передают его из поколения в поколение.
1944 — Освальд Эвери обосновал, что ДНК, а не белки, трансформируют свойства клеток.
1944 — 1950 — Эрвин Чаргафф обнаружил, что ДНК отвечает за наследственность. Его открытия, известные как «Правила Чаргаффа», доказали, что единицы гуанина и цитозина, а также единицы аденина и тимина одинаковы в двухцепочечной ДНК, и он также обнаружил, что ДНК различается у разных видов.
1951 — работа Розалинд Франклин доказала спиральную форму ДНК, что было подтверждено Уотсоном и Криком почти два года спустя. Ее выводы были признаны только посмертно.
25 апреля 1953 — Уотсон и Крик, опираясь на достижения Чаргаффа и Франклин, опубликовали структуру двойной спирали ДНК. Этот день во всем мире отмечается как день ДНК.
Четыре буквы генетического кода перевернули мир ровно 50 лет назад 28 февраля 2003 года исполнилось 50 лет со дня открытия структуры ДНК Френсисом Криком и Джеймсом Уотсоном, которое совершило революцию в биологии и медицине.
Начало этой истории можно принять за шутку. «А мы только что открыли секрет жизни!» – сказал один из двоих мужчин, вошедших в кембриджский Игл паб (Eagle pub) ровно 50 лет назад – 28 февраля 1953 года. И эти люди, работавшие в лаборатории неподалеку, нисколько не преувеличивали. Одного из них звали Френсис Крик (Francis Crick), а другого – Джеймс Уотсон (James Watson).
Уотсон и Крик открыли структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – вещества, которое содержит всю наследственную информацию. Через несколько месяцев после исторического заявления в пабе вышла осторожная публикация работы двух исследователей в журнале Nature (Watson J.D., Crick F.H.C. Molecular structure of nucleic acids // Nature. 1953. V. 171. P. 738-740). Статья заканчивалась предположением о том, что открытие структуры ДНК может объяснить механизмы копирования генетического материала.
К пятидесятым годам было известно, что ДНК – большая молекула, которая состоит из тысяч соединенных между собой в линию маленьких молекул четырех разных видов – нуклеотидов. Также ученые знали, что именно ДНК отвечает за хранение и передачу по наследству генетической информации, похожей на текст, написанный алфавитом из четырех букв. Неизвестными оставались пространственная структура этой молекулы и механизмы, по которым ДНК передается по наследству от клетки к клетке и от организма к организму.
В 1948 году Лайнус Полинг (Linus Pauling) открыл пространственную структуру других макромолекул – белков. Прикованный нефритом к постели Полинг несколько часов складывал бумагу, которой он пытался смоделировать конфигурацию белковой молекулы, и создал модель структуры, названной «альфа-спиралью».
По словам Уотсона, после этого открытия в их лаборатории была популярна гипотеза о спиральном строении ДНК. Уотсон и Крик сотрудничали с ведущими специалистами по рентгеноструктурному анализу, а Крик умел практически безошибочно обнаруживать признаки спирали на снимках, полученных таким способом.
Полинг тоже считал, что ДНК – спираль, причем, состоящая из трех нитей. Однако, он не мог объяснить ни природы такой структуры, ни механизмы самоудвоения ДНК для передачи дочерним клеткам.
Открытие двуспиральной структуры произошло после того, как Морис Уилкинс (Maurice Wilkins) тайно показал Уотсону и Крику рентгеновский снимок молекулы ДНК, сделанный его сотрудницей Розалинд Франклин (Rosalind Franklin). На этом снимке они четко узнали признаки спирали и направились в лабораторию, чтобы проверить все на объемной модели.
В лаборатории выяснилось, что мастерская не поставила необходимые для стереомодели металлические пластины, и Уотсон вырезал из картона четыре вида макетов нуклеотидов – гуанина (G), цитозина (C), тимина (T) и аденина (A) – и стал раскладывать их на столе. 
И тут он обнаружил, что аденин соединяется с тимином, а гуанин – с цитозином по принципу «ключ-замок». Именно таким образом соединяются между собой две нити спирали ДНК, то есть напротив тимина из одной нити всегда будет находиться аденин из другой, и ничто иное.
Такое расположение позволило объяснить механизмы копирования ДНК: две нити спирали расходятся, и к каждой из них достраивается из нуклеотидов точная копия ее бывшей «партнерши» по спирали. По такому же принципу, как с негатива в фотографии печатают позитив.
Очень печально сложилась судьба Розалинд Франклин. Уилкинс называл свою подчиненную исключительно «синим чулком» и находился с ней в постоянном конфликте. Хоть Франклин и не поддерживала гипотезу о спиральном строении ДНК, именно ее снимки сыграли решающую роль в открытии Уотсона и Крика. И, может, Полинг удостоился бы четвертой Нобелевской премии, если бы он смог увидеть эти снимки раньше, чем британские исследователи.
До премии, которую получили Уилкинс, Уотсон и Крик, Розалинд не дожила. Она скончалась от рака в 1958 году.
Очевидно, что открытие пространственной структуры ДНК совершило революцию в мире науки и повлекло за собой целый ряд новых открытий, без которых нельзя представить не только современную науку, но и современную жизнь в целом
В шестидесятых годах прошлого века предположение Уотсона и Крика о механизме репликации (удвоения) ДНК полностью подтвердилось. Кроме того, было показано, что в этом процессе принимает участие специальный белок – ДНК-полимераза.
Примерно в то же время было совершено другое важное открытие – генетический код. Как уже говорилось выше, ДНК содержит в себе информацию обо всем, что передается по наследству, в том числе о линейной структуре каждого белка в организме. Белки, как и ДНК, представляют длинные молекулярные цепочки из аминокислот. Этих аминокислот 20. Соответственно, было неясно каким образом «язык» ДНК, состоящий из четырехбуквенного алфавита переводятся на «язык» белков, где используется 20 «букв».
Оказалось, что сочетание из трех нуклеотидов ДНК четко соответствует одной из 20 аминокислот. И, таким образом «написанное» на ДНК однозначно переводится в белок.
В семидесятых годах появились еще два важнейших метода, основанные на открытии Уотсона и Крика. Это секвенирование и получение рекомбинатной ДНК. Секвенирование позволяет «прочитать» последовательность нуклеотидов в ДНК. Именно на этом методе основана вся программа «Геном человека».
Получение рекомбинантной ДНК по другому называют молекулярным клонированием. Суть этого метода заключается в том, что в молекулу ДНК встраивают фрагмент, содержащий определенный ген. Таким образом, например получают бактерии, которые содержат ген человеческого инсулина. Инсулин, полученный таким способом, называется рекомбинатным. Этим же методом созданы все «генетически модифицированные продукты».
Как ни парадоксально, репродуктивное клонирование, о котором сейчас все говорят, появилось раньше, чем была открыта структура ДНК. Понятно, что сейчас учеными, проводящие такие эксперименты, активно используются результаты открытия Уотсона и Крика. Но, изначально, метод не базировался на нем.
Следующим важным шагом науки стала разработка в восьмидесятых годах полимеразно-цепной реакции. Эта технология используется для быстрого «размножения» нужного фрагмента ДНК и уже нашла множество применений как в науке, так в медицине и технологии. В медицине с помощью ПЦР проводят быструю и точную диагностику вирусных заболеваний. Если в массе ДНК, полученной из анализа пациента, даже в минимальном количестве есть гены, принесенные вирусом, то с помощью ПЦР можно добиться их «размножения» и после этого легко идентифицировать.
Кроме того, что открытие Уотсона и Крика стало основой множества научных исследований, включая знаменитый проект «Геном человека», молекула ДНК оставила след в современной живописи, кинематографе, архитектуре.
68 лет назад была предложена двуспиральная модель ДНК
Слева направо: Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон. Фото: (с) A. Barringtot Brown / Photo Reseachers, Inc.
Я был не самым ярким, не был лучше и умнее других. Я такой же, как и все, и хотел заниматься ответами на серьёзные вопросы.
Дж.Уотсон.
21 февраля 1953 года ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили структурную модель ДНК — двойную спираль. Эта работа была отмечена Нобелевской премией по физиологии и медицине в 1962 году и приблизила нас к пониманию фундаментальных основ генетики — науки, которая изучает гены, генетические вариации и наследственность в организмах. Генетика считается одной из самых быстро развивающихся наук в мире, и, пожалуй, самой многообещающей. Сегодня двойная спираль ДНК выступает одним из классических символов науки.
В 1951 году Уотсон начал работать с Френсисом Криком в Кавендишской лаборатории при Кембриджском университете. В течение нескольких лет напряженной работы, и под давлением конкурентов, ученые размышляли о структуре молекулы ДНК и пытались создать модель ДНК. Они обсуждали варианты спиралевидной формы ДНК, а чуть позже родилась идея двойной спирали: ровно 68 лет назад Уотсон догадался, что аденин из одной цепочки соединяется только с тимином из другой, а цитозин — с гуанином.
Еще до совместной работы Крика и Уотсона английский химик и специалист по рентгенокристаллографии Розалинд Франклин получила знаменитую фотографию 51 (рентгенограмма структуры ДНК), которая выявила двойную спираль в основе молекулы. Это экспериментальное подтверждение определило становление генетики как науки. Франклин была ассистенткой физика и молекулярного биолога Мориса Уилкинса, который впоследствии стал работать над изучением ДНК вместе с Криком и Уотсоном. В 1962 году все трое мужчин получили Нобелевскую премию «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живой материи». Что касается Розалинд Франклин, то, к сожалению, ее роль в исследованиях ДНК была широко признана лишь позднее.
Новое знание о структуре ДНК повлияло на развитие медицины, физики, химии, палеонтологии, антропологии и др. Благодаря такой науке как генетика сегодня мы можем получить сведения об огромном пути, который проделали наши предки за десятки тысячи лет, мы можем понять происхождение вирусов и лечить заболевания, вызванные ими, совершать прорывы в сельском хозяйстве и т.д.
На Земле существует огромное разнообразие форм жизни, но все виды – от простейшей бактерии до человека – имеют одинаковый генетический код: из четырех нуклеотидов в ДНК, которые обозначаются буквами A, C, G и T (аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г), и тимин (Т)). Последовательность этих химических единиц определяет, какие белки производит клетка живого организма. В каждой человеческой клетке содержится от двух до трех метров ДНК. Молекула ДНК, хранящая нашу наследственность, очень хрупкая. Но пока мы живы, специальные ферменты предохраняют её от разрушения.
Кислота, расширившая горизонты
Ровно 64 года назад Джеймс Уотсон вдруг сообразил, как элегантно и просто могла бы быть устроена жизнь
Поделиться:
1. На что похожа ДНК?
Когда в глупых фантастических фильмах ученые смотрят в микроскоп и видят там ДНК, на экране их суперкомпьютера сразу возникает трехмерная, красиво подсвеченная картинка двойной спирали. Вроде вот этой.
Фото: Shutterstock
Такой романтизированный образ ДНК возникает не только у невежд: даже студенты-биологи, впервые приходя в молекулярную лабораторию (вроде автора этих строк в 1982 году) рассчитывают увидеть нечто похожее. На самом деле они видят прозрачную жидкость в пробирке. Это поначалу страшно разочаровывает.
Фото: Shutterstock
В обычной концентрации (около 1 миллиграмма на пол чайной ложки) раствор ДНК выглядит как водичка, если замесить погуще — скорее похоже на глицерин, еще добавить — будут сопли или студень. Красивой ДНК становится в том случае, если осадить ее, добавив спирт. Это происходит вот так:
Осадок ДНК, плавающий в жидкости этакой галактической соплей, со звездочками-пузырьками, впервые намекает студенту, что в этой штуке есть что-то мистическое. В сопле, показанной на этой картинке, может быть порядка миллиграмма ДНК.
Фото: Gravitywave/Flickr
Люди, снимающие фильмы о науке, галактическими соплями себя не ограничивают. Обычно в таких фильмах показывают девушку в белом халате, которая капает пипеткой что-то синенькое.
Фото: Shutterstock
Девушка добавила в пробирки краситель не для того, чтобы покрасоваться перед телевизионщиками: просто таким образом ей удобнее наносить прозрачные пробы ДНК на прозрачный студень-мармелад, чтобы разделить молекулы электрическим напряжением. Это тоже красиво и тоже нередко попадает в кадры телевизионного научпопа.
Фото: Wikipedia
В более серьезных фильмах показывают часто не саму ДНК, а то, что попадает в руки ученых из прибора-секвенатора (это тот самый прибор, который, как говорится, «расшифровывает гены»). Этот продукт выглядит так.
Когда автор этих строк был молод и свеж, а умные приборы еще не были изобретены, расшифрованные гены выглядели по-другому: вот так.
Фото: cse.dmu.ac.uk
Это почти все картинки с ДНК, которые мы хотели вам сегодня показать.
Осталась всего одна — та самая рентгенограмма, рассматривая которую, Уотсон и Крик сделали свое открытие 21 февраля 1953 года.
2. Что открыли Уотсон и Крик в 1953 году?
Уотсон и Крик не только угадали, как устроена ДНК, но и создали ей — просто в силу своего редкостного тщеславия — исключительный пиар. О том, что ДНК — наше все, знают даже те, кто не слишком уверен в вымышленности образов лешего и кикиморы. Нет, наверное, более знаменитой химической молекулы. Ну скажите, какой еще термин из химии так широко используется метафорически, как, например, в завораживающе бессмысленной фразе «Море — ДНК бренда Panerai»?
На самом деле Уотсон и Крик не открывали ДНК — про такую молекулу* наука знала и до них. Было известно и то, что эта загадочная штука — носитель наследственности. Знали, что ДНК — это цепочка молекул сахара, соединенных через атом фосфора, причем к каждому сахару приделано азотистое основание, одно из четырех. Знали даже, что ДНК имеет форму спирали.
А 21 февраля 1953 года Уотсону пришло в голову всего одно уточнение: рисуя на бумаге формулы азотистых оснований так или этак, он вдруг сообразил, что их пары очень точно подходят друг к другу. Аденин (А) будто создан, чтобы быть рядом с тимином (Т). Гуанин (Г) прекрасно подходит к цитозину (Ц).
Это сразу придало смысл и спирали, — конечно, она должна быть двойной, а не тройной, как думали эти ребята раньше, — и тому странному факту, что пропорции А и Т, Г и Ц в препаратах ДНК всегда были равны. Появился смысл у странных пятен сверху и снизу на рентгенограмме — конечно, это стопки плоских молекул азотистых оснований, развешенных вдоль сахарного каркаса. А еще это придало смысл всей жизни на земле: именно так, через спаривание азотистых оснований, эта самая жизнь могла бы размножаться.
Уотсон и Крик были странной парой. Первый — 28-летний доктор биологии на (не слишком блестящем) старте карьеры. Второй — возрастной (уже на четвертом десятке) аспирант, чья предыдущая карьера в физике была прервана мировой войной. Оба были чудовищно амбициозны, но уотсоновское тщеславие еще было легкомысленным, а вот Крик уже просто не мог позволить себе третью попытку. Именно благодаря Френсису Крику человечество запомнило не только тот день (28 февраля), когда ученые объявили о своем открытии в кабачке под названием «Орел», а самую дату первого уотсоновского озарения. Он сразу понял, что именно открыл его младший по возрасту и старший по карьере коллега.
Дальше там, правда, авторы упомянули и о том, что, по их мнению, они разгадали тайну жизни. Эта фраза звучит так: «От нашего внимания не ускользнул тот факт, что специфическое спаривание, которое мы постулировали, естественно предполагает и возможный механизм копирования генетического материала». Вот в такой деликатной форме ученые сообщают миру о том, что схватили Бога за бороду.
3. ДНК в Российской Федерации
Недавно по интернету пробежала информация о том, как легко и просто у себя дома выделить ДНК из собственной слюны, которая восходит к англоязычному оригиналу. Дорогие читатели! Таким способом ДНК выделить нельзя (хотя бы потому, что в слюне ее ничтожно мало). Таким способом вы получите полисахариды**, которых в слюне полно. Мы уже упомянули выше, что ДНК — это в принципе тоже полисахарид, но полисахарид полисахариду рознь.
На этом примере видно, что тема ДНК в массовом сознании пока не раскрыта.
Со времен открытия Уотсона и Крика идет седьмой десяток лет, но в научных (!) журналах по-прежнему публикуются статьи наподобие вот этой. Читатель-биолог сразу увидит комический аспект публикации. Для остальных объясним, что в этой работе башкирские ученые рассказывают о том, как выделять ДНК из разных объектов (вроде волос и слюны) для целей криминалистики. Интрига раскрывается в конце: то, что они выделили, похоже, вовсе не является ДНК, хотя вопросы начинают возникать уже при рассматривании таблицы на первой странице работы — слишком уж много чего-то непонятного выделилось у ребят из 0,8 мл слюны.
Если нашего уважаемого читателя осудят за убийство на основании анализа ДНК и эксперт-криминалист будет ссылаться на работу ученых Башкирского университета, знайте, что вас подставили. Хоть это вам вряд ли поможет. Сидя на нарах, вы можете утешаться мыслью, что наука движется вперед. А главное событие, предопределившее ваши неурядицы, произошло 21 февраля 1953 года, когда Джеймс Уотсон и Френсис Крик разгадали важную тайну жизни.
* Знала, хоть и называла ее по-разному. В самой статье Уотсона и Крика они называли ее «дезоксирибозной нуклеиновой кислотой», а их коллеги-рентгеноструктурщики, чьи статьи опубликованы в том же номере Nature, величали героиню «дезоксипентозной нуклеиновой кислотой».
** В комплексе с белками. Вот этот конкретный, из слюны, называется муцин.