Elicea vieţii – cea mai mare descoperire ştiinţifică a secolului XX

Savanţii

Aşa de familiară ne-a devenit imaginea dublei elice a ADN-ului – reprezentată pe coperţile manualelor de biologie de la şcoală şi pe coperţile mai tuturor cărţilor în care e vorba despre genetică – încât pare un lucru cunoscut de când lumea. Dar n-au trecut decât 60 de ani – anul acesta se împlinesc – de când a fost descifrat acest mister  ştiinţific  – structura moleculei de ADN -, multă vreme un  fel de „sfânt Graal” al cercetărilor de biochimie.

• Imagini incredibile cu Mercur, surprinse de sonda BepiColombo
• Ce s-a întâmplat cu dinții oamenilor atunci când fluorul a fost scos din apă?

O lungă polemică ştiinţifică, o luptă de idei de ani în şir a precedat descoperirea acestei alcătuiri, iar succesul s-a clădit, treaptă cu treaptă, pe cunoştinţele anterioare de chimie, biologie şi fizică, trecând prin erori, dispute, dezamăgiri, pentru a ajunge, în fine, la apoteoză: momentul de glorie când Francis Crick şi James Watson şi-au dat seama că modelul imaginat de ei satisface toate exigenţele şi poate fi socotit drept o imagine corectă, veridică, a structurii acizilor nucleici. Era anul 1953.

Bineînţeles, ei doi nu sunt singurii care au trudit pentru obţinerea acestui succes. Ei doi sunt cei care, punând cap la cap informaţiile obţinute până atunci prin propriile lor cercetări, plus datele obţinute, în decenii de studii, de oameni de ştiinţă de pe două continente, au avut intuiţia genială a modului în care aceste date se îmbină pentru a crea modelul corect.

Ar fi mulţi cei care, fără a căuta neapărat să afle structura ADN, au contribuit , prin studiile lor de chimie, biologie şi fizică, la adunarea datelor fundamentale. Au fost şi alţii care chiar au încercat să afle structura ADN şi au propus modele, dar acestea s-au dovedit eronate. Aşa se scrie istoria ştiinţei.

În orice caz, pe lângă James Watson şi Francis Crick, care şi-au desfăşurat cercetările la Laboratorul Cavendish din Cambridge, cei care au contribuit cel mai mult la reuşită, prin cercetările lor, au fost Maurice Wilkins şi Rosalind Franklin, care au lucrat, în perioada respectivă, la King’s College London. Aceşti patru savanţi sunt cei cărora li  se datorează, în cea mai mare parte, meritul de a fi dezlegat această enigmă a biologiei. De altfel, Maurice Wilkins a împărţit cu Crick şi Watson premiul Nobel pentru medicină/fiziologie, acordat în anul 1962 pentru această descoperire. Rosalind Franklin, care a contribuit decisiv la succes, nu a făcut parte dintre laureaţi dintr-un motiv simplu şi tragic: a murit înainte de decernarea premiului, în 1958, la vârsta de numai 37 de ani, ca urmare unui cancer.

Dintre cei 4 savanţi implicaţi major în descoperirea structurii ADN, doar James Watson mai este zi în viaţă. Are 84 de ani. După descoperirea structurii acizilor nucleici, s-a întors în SUA şi a lucrat în cadrul mai multor instituţii, ocupându-se de cercetări în domeniul geneticii, în care deschisese, la vârsta de nici 25 de ani, un drum atât de plin de promisiuni. Printre altele, a condus, timp de 2 ani, Proiectul Genomului Uman, fiind a doua persoană căreia i-a fost secvenţiat complet genomul. Este unul dintre decanii geneticii moleculare şi, foarte probabil, s-a ocupat de genetică mai mult decât oricare alt om de ştiinţă care lucrează azi în acest domeniu.

Multe dintre amănuntele anecdotice ale istoriei descoperirii dublului helix (el a şi lansat acest termen pentru a descrie structura ADN-ului) sunt cunoscute datorită cărţii scrise de el şi publicate în 1968: The Double Helix : A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA (apărută şi la noi în 1970, cu titlul Elicea vieţii), o relatare personală – desigur, subiectivă, dar nu mai puţin importantă – a succesiunii de evenimente care a dus la descoperirea structurii ADN şi a contextului în care s-a petrecut aceasta. Viaţa în mediul academic de la Cambridge, preocupările – profesionale şi personale – ale oamenilor de ştiinţă care lucrau acolo, ca şi lupta de idei între cei implicaţi în descifrarea structurii ADN-ului sunt surprinse viu şi, adesea, chiar amuzant, deşi cartea a fost şi criticată pentru unele accente discriminatorii – în special la adresa lui Rosalind Franklin -, expresie a sexismului ce domnea la acea vreme în mediul universitar anglo-saxon.
Francis Crick şi Maurice Wilkins, amândoi născuţi în acelaşi an, 1916, au încetat din viaţă, amândoi, în 2004.
 

Misteriosul ADN

ADN-ul (acidul deoxiribonucleic) este suportul material al informaţiei ereditare: din ADN sunt alcătuite genele. Molecula de ADN este o polinucleotidă, fiind alcătuită din unităţi de bază numite nucleotide, iar fiecare nucleotidă este alcătuită din trei elemente:

• o bază azotată, care poate fi adenină (A), citozină (C), timină (T) sau guanină (G).
• o moleculă dintr-un glucid (zahar) numit deoxiriboză
• una sau mai multe grupări fosfat

Secvenţa liniară de nucleotide – ordinea în care sunt înşirate acestea – constituie structura primară a ADN-ului. Dar, ca orice moleculă complexă, ADN are mai multe niveluri ale structurii. Structura primară nu descrie complet alcătuirea moleculei, ci trebuie descifrate şi celelalte niveluri ale structurii, pentru a o putea caracteriza complet.

În celula vie, ADN există predominant sub formă bicatenară (două catene, sau lanţuri, de nucleotide), iar structura secundară este dată de modul în care cele două catene se conectează între ele, şi anume prin legături de hidrogen între perechile de baze azotate de pe o catenă şi de pe cealaltă. Bazele azotate nu se pot lega oricum, ci numai în anumite combinaţii: adenina se leagă întotdeana de timină (A-T), iar citozina – de guanină (C-G). Sunt două aspecte care au fost lămurite de Crick şi Watson în modelul lor: câte catene are ADN-ul şi cum se conectează acestea între ele.

Aspectul major la a cărui lămurire au contribuit cei patru savanţi menţionaţi a fost structura terţiară a ADN-ului, adică forma tridimensională specifică moleculei. Azi, ştim că ADN-ul se prezintă sub forma unui „dublu helix”, cum l-a numit Watson, cele două catene răsucindu-se una în jurul alteia la anumite unghiuri şi cu distanţe precise între spirele structurii helicoidale. Pentru descoperirea acestei structuri terţiare au ajuns celebri Crick şi Watson.

În fine, ADN are şi o structură cuaternară, un grad mai înalt de organizare, care se referă la interacţiunile ADN cu alte molecule, care îi permit să îşi desfăşoare funcţiile specifice. În celulă, ADN este asociat cu molecule ale unor proteine numite histone, formând o structură mai compactă numită cromatină. Sub această formă se găseşte ADN în nucleul celulelor.

În ansamblu, molecula de ADN arată ca o scară răsucită în spirală, în care părţile laterale sunt formate din grupări deoxiriboză+fosfat, iar treptele – din perechi de baze azotate, A-T şi C-G.

Azi, ştim toate aceste lucruri, dar imaginaţi-vă că, în urmă cu 60 de ani, ele nu erau cunoscute. Nimeni n-ar fi putut descrie ADN-ul nici măcar sub forma sumară în care l-am descris mai sus. Molecula de ADN era o structură de dimensiuni prea mici pentru a fi văzută la microscop, aşa că totul a trebuit dedus indirect, prin calcule complicate, prin interpretarea rezultatelor unor analize specifice, prin presupuneri adesea infirmate şi rar confirmate şi prin transpunerea la o scară uriaşă a imaginii moleculei ADN aşa cum şi-o închipuiau oamenii de ştiinţă.

Mai trebuie spus că, în ansamblu, structura moleculară a genei era, la ora aceea, o mare necunoscută. Azi, multă lume ştie că genele sunt alcătuite din acizi nucleici, dar pe vremea aceea această idee nu era acceptată nici măcar de toată comunitatea ştiinţifică. Destui oameni de ştiinţă credeau că genele sunt alcătuite din proteine capabile de auto-replicare, în vreme ce ADN-ului i se atribuia doar un rol structural, de suport al proteinelor. Modelul Crick-Watson a făcut lumină şi în acest domeniu, deoarece oferea argumente în sprijinul ideii că genele sunt alcătuite din acizi nucleici.

Elicea care avea să schimbe lumea

Descoperirea structurii ADN se sprijină pe câteva elemente de bază, care au furnizat, fiecare, o parte din cunoştinţele necesare pentru a înţelege, în sfârşit, cum era alcătuită această moleculă a vieţii.

Se cunoştea, de ceva vreme, graţie studiilor de chimie, faptul că în alcătuirea ADN intră deoxiriboza, nişte grupări fosfat şi nişte baze azotate: timina, adenina, citozina şi guanina. Se descoperise, de asemenea, că există un anumit raport de proporţionalitate între cantităţile acestor baze: cantitatea de citozină e egală cu cea de guanină, iar cea de timină – cu cea de adenină. (Chimistul Erwin Chargaff descoperise acest lucru, aşa că fenomenul poartă numele de regulile lui Chargaff.) Ce putea însemna asta, încă nu se ştia.

Un alt element esenţial au fost lucrările lui Maurice Wilkins şi Rosalind Franklin, care au studiat ani în şir cristalografia în raze X aplicată diferitelor structuri moleculare, iar imaginile de difracţie în raze X ale ADN-ului, realizate de ei, au condus la ideea că ar putea fi vorba despre o structură helicoidală.

Ideea unei structuri helicoidale a moleculelor complexe plutea în aer în acea vreme; cu foarte puţin timp în urmă, un celebru chimist american, Linus Pauling, care lucra la Universitatea California (Cal Tech) descoperise că multe proteine au o asemenea structură, numită alfa-helix, ceea ce dusese la presupunerea că şi alte molecule complexe putea avea o astfel de configuraţie.

Cam acesta era stadiul cunoaşterii în momentul în care Fracis Crick şi James Watson au hotărât să se apuce să studieze structura ADN.

Astăzi, studiile asupra structurii moleculelor se fac cu ajutorul unor programelor de computer, foarte complexe, care efectiv desenează tridimensional moleculele, apoi le sucesc şi le răsucesc în toate poziţiile, ajutând astfel enorm la înţelegerea configuraţiei lor. În anii ‘50, însă, nu exista nimic de acest gen. Nouă, obişnuiţi cu participarea computerelor la cercetarea ştiinţifică, ne vine greu să credem că Watson şi Crick au descoperit structura ADN asamblând manual modele tridimensionale din sârme şi plăcuţe metalice care reprezentau grupările fosfatice, deoxirboza, bazele azotate şi legăturile dintre ele. Plăcuţele şi sârmele erau tăiate la scară, astfel încât să corespundă cu anumite dimensiuni ale grupărilor de atomi şi cu lungimea legăturilor chimice şi de hidrogen din structura ADN, aşa cum fuseseră acestea deduse din datele de chimie şi din fotografiile de difracţie în raze X. Luni de zile, Watson şi Crick au tot construit asemenea modele, aşezând plăcuţele în anumite unghiuri, măsurând atent distanţele, pentru ca totul să se îmbine. Iar înaintea succesului, au fost multe dezamăgiri.

Azi, când ştim cu e alcătuit ADN-ul, pare simplu, desigur, dar amintiţi-vă că atunci nimeni nu ştia cum arată acea moleculă complicată. Se bănuia că are forma unui helix, dar din câte catene era alcătuit nu s-a ştiut de la început.

La un moment dat, în 1951, celebrul Linus Pauling, de la Cal Tech (instituţie cu care Laboratorul Cavendish era în concurenţă, fiecare colectiv de savanţi sperând să descopere primul structura ADN şi să primească Premiul Nobel pentru reuşită), a publicat o lucrare în care afirma că descoperise misterul: ADN are o structură helicoidală, formată din trei catene. A fost o eroare greu de explicat la un savant de talia lui – era cel mai mare specialist în chimie structurală al acelor vremuri şi unul dintre cei mai mari ai tuturor timpurilor – şi totuşi a făcut-o. (Dovadă că oricine poate greşi, mai ales când se grăbeşte de teamă să nu i-o ia alţii înainte.)

Crick şi Watson şi-au dat seama că e ceva în neregulă şi, sprijinindu-se pe fotografiile de difracţie în raze X realizate de Rosalind Franklin şi asistentul ei Raymond Gosling (în special o anume imagine, numită „fotografia 51”, care a avut un rol important în reuşită), au emis ipoteza că ar fi vorba mai curând despre un helix format din două catene.

Încă nu se ştia cum sunt aşezate aceste catene ca să formeze elicea. Multă vreme s-a crezut că şirul de grupări fosfatice şi deoxiriboză se găseşte pe mijlocul helixului – ca o coloană vertebrală – iar bazele azotate lateral, în afară, dar modelele tridimensionale construite pe baza acestei ipoteze nu se aranjau cum trebuie. Distanţele şi unghiurile corespunzând legăturilor moleculare şi chimice nu duceau la o îmbinare corectă a plăcuţelor.

În cele din urmă, s-a luat în calcul ipoteza inversă: lateral, în afară, s-ar găsi şirurile de grupări deoxiriboză-fosfat, iar în centru, bazele azotate, care se îmbinau unele cu altele (într-un mod încă neînţeles). Este meritul lui Rosalind Franklin de a fi insistat asupra acestui aspect, convingându-i în cele din urmă şi pe Crick şi Watson că modelul cu bazele în centru ar fi cel corect.

Dar cum se legau unele de altele aceste baze azotate, pentru a stabiliza scara în spirală?

Iniţial, Watson şi Crick au crezut că bazele se leagă pe principiul similar cu similar – adică adenină cu adenină, timină cu timină etc. Dar din nou modelele lor de metal nu ieşeau cum trebuie, iar discutând cu câţiva chimişti, care i-au ajutat să verifice calculele, Crick şi Watson au ajuns la concluzia că bazele se îmbinau după o altă regulă, cea a complementarităţii, care satisfăcea şi regulile lui Chargaff: adenina se lega întotdeauna de timină, iar citozina – de guanină. Acest model avea şi avantajul de a explica în mod plauzibil cum se replica ADN – în ce mod, adică, era el copiat, înaintea diviziunii celulare, astfel încât celulule-fiice să primească câte o copie identică a ADN-ului celulei-mame.

Şi, în cele din urmă, după multe drumuri şi calcule, după dispute cu colegii savanţi şi deziluzii amare când lucrurile se dovedeau eronate, după nenumărate încercări de a construi modelele tridimensionale de metal astfel încât totul să se îmbine uşor, firesc şi fără cusur, a venit şi ziua – 28 februarie 1953, după cum indică o placă aşezată pe peretele „Vulturului”- când Crick şi Watson au intrat în localul cu pricina, iar Crick, pe care Watson îl descrie, în cartea sa, drept un tip extrem de vorbăreţ şi cu un râs zgomotos, a strigat, în gura mare, că ei doi au descoperit secretul vieţii!

A urmat comunicarea oficială, de către şeful Laboratorul Cavendish, Sir Lawrence Bragg, a noutăţii, la o conferinţă ştiinţifică, apoi apariţia, în revista Nature, a unui articol semnat de cei doi, intitulat  „A structure for deoxyribose nucleic acid” – titlu modest, după care n-ai fi putut ghici că era vorba despre una dintre cele mai râvnite victorii ştiinţifice din toate timpurile, desemnată ulterior drept cea mai importantă descoperire ştiinţifică a secolului XX.

Pe această temelie s-a construit genetica moleculară, de la care aşteptăm, pentru viitor, rezolvarea a nenumărate probleme ale umanităţii: foametea, bolile şi altele. La ora actuală, nu trece săptămână fără ca un laborator din lume să anunţe că a mai descoperit câte ceva despre o genă. Dar asta n-ar fi fost posibil fără descoperirea structurii ADN-ului, molecula polinucleotidică din care sunt alcătuite genele, spirala miraculoasă în a cărei alcătuire este înscris secretul vieţii.