The Embryo Project Encyclopedia

Im April 1953 veröffentlichten James Watson und Francis Crick „Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure of Desoxyribose Nucleic Acid“ oder „A Structure for Desoxyribose Nucleic Acid“ in der Zeitschrift Nature. In dem Artikel schlagen Watson und Crick eine neuartige Struktur für Desoxyribonukleinsäure oder DNA vor. 1944 wurde Oswald T. Avery und seine Gruppe an der Rockefeller University in New York City veröffentlichten experimentelle Beweise dafür, dass DNA die biologischen Faktoren enthielt, die Gene genannt wurden, die bestimmen, wie Organismen wachsen und sich entwickeln. Wissenschaftler wussten nicht, wie die DNAás-Funktion zum Durchgang genetischer Informationen von Zelle zu Zelle oder von Organismus zu Organismus führte. Das Modell, das Watson und Crick vorstellten, verband das Konzept der Gene mit Vererbung, Wachstum und Entwicklung. Ab 2018 akzeptieren die meisten Wissenschaftler Watson und Cricks Modell der DNA in dem Artikel vorgestellt. Für ihre Arbeit an der DNA teilten sich Watson und Crick 1962 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin mit Maurice Wilkins.

Die Zusammenarbeit, die Watson und Crick dazu brachte, „A Structure of Desoxyribose Nucleic Acid“ zu schreiben, begann im Oktober 1951, kurz nachdem Watson am Cavendish Laboratory der University of Cambridge in Cambridge, England, angekommen war. Damals, Watson war ein dreiundzwanzigjähriger Postdoktorand aus den USA und Crick, im Alter von fünfunddreißig, war Doktorand an der Universität von Cambridge. Watson und Crick begannen, die Struktur der DNA zusammen zu studieren, kurz nachdem Watson im Cavendish Laboratory angekommen war. Sie aßen häufig zusammen zu Mittag und diskutierten ihre Arbeit und die Arbeit anderer im Labor. Schließlich gaben hochrangige Mitglieder des Labors Watson und Crick einen Büroraum zu teilen.

1944 veröffentlichte die Averys-Gruppe am Rockefeller University Hospital einen Artikel, der experimentelle Beweise dafür lieferte, dass DNA Gene enthielt. Jahrzehnte vor der Veröffentlichung von Watson und Cricks Artikel fanden Wissenschaftler Beweise für die Bausteine der DNA, die Nukleotide genannt werden. Nukleotide bestehen aus drei Teilen. Der mittlere Teil des Nukleotids ist ein Desoxyribosezucker, der an einer Seite der Desoxyribose befestigt ist, ist eine negativ geladene Phosphatgruppe, die aus Phosphor und Sauerstoff besteht, und auf der gegenüberliegenden Seite der Desoxyribose ist eine von vier Stickstoffbasen, die zwischen Nukleotiden variiert. Wissenschaftler hatten über die Struktur der vier Basen in der DNA veröffentlicht: Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Adenin und Guanin bestehen aus zwei verschmolzenen Ringen und werden Purine genannt. Cytosin und Thymin sind Einzelringstrukturen, die als Pyrimidine bezeichnet werden.

Als Watson und Crick ihren Artikel schrieben, stützten sie sich auf die Ergebnisse von Röntgenkristallographieexperimenten. Um die Röntgenkristallographie durchzuführen, schießen Wissenschaftler einen Röntgenstrahl, bei dem es sich um hochenergetische elektromagnetische Wellen handelt, auf einen Kristall. Sobald der Strahl auf den Kristall trifft, streuen die Röntgenstrahlen auf eine Weise, die von der dreidimensionalen Anordnung der Atome in diesem Kristall abhängt. Das Experiment führt zu einem Bild, das als Beugungsmuster bezeichnet wird und mit dem Wissenschaftler die dreidimensionale Struktur des Kristalls bestimmen, den sie beobachten. In den Jahren vor der Veröffentlichung des Artikels nutzten Wissenschaftler die Röntgenkristallographie, um mehr über die dreidimensionale Struktur der DNA zu erfahren. Während Watson und Crick selbst nie Röntgenkristallographieexperimente durchführten, verwendeten sie Daten aus Experimenten anderer Wissenschaftler, um ihr DNA-Modell zu entwickeln.

Watson und Crick schlugen ein neues Modell für die dreidimensionale Struktur der DNA vor. Der Artikel bestand aus weniger als zwei Seiten und hatte eine Illustration. Um das Papier zu beginnen, reagieren Watson und Crick auf ein anderes DNA-Modell, das von Linus Pauling und Robert Corey, zwei Wissenschaftlern am California Institute of Technology in Pasadena, Kalifornien, vorgeschlagen wurde. Pauling und Corey schlugen ein alternatives Modell vor, nur wenige Monate bevor Watson und Crick ihren Artikel schrieben.

Watson und Crick beginnen ihren Artikel mit der Diskussion des von Pauling und Corey vorgeschlagenen alternativen Modells. Obwohl nicht im Detail von Watson und Crick beschrieben, war das Pauling-Corey-Modell der DNA eine Dreifachhelix, wobei jeder der drei helikalen Stränge Nukleotide enthielt, die aneinandergereiht waren. Im Pauling-Corey-Modell standen die negativ geladenen Phosphatgruppen innerhalb der Tripelhelix und die Basen außerhalb der Tripelhelix. In ihrem Artikel kritisieren Watson und Crick das Pauling-Corey-Modell. Erstens argumentieren sie, dass die DNA-Basen nicht nach außen zeigen können, während die Phosphatgruppen nach innen zeigen. Watson und Crick behaupten, dass die DNA-Stränge durch die Basen miteinander verbunden sind, wenn also die Basen nach außen zeigen würden, gäbe es nichts, was die DNA-Stränge verbinden würde. Die Autoren argumentierten auch, dass, wenn die negativ geladenen Phosphat-Backbones der DNA-Stränge nach innen zeigen, sie sich gegenseitig abstoßen würden. Darüber hinaus würde sich die Anordnung der Atome in der Pauling-Corey-Struktur gegenseitig abstoßen. Das schließt Watson und Cricks Kritik an der Pauling-Corey-Modell in ihrem Papier.

Watson und Crick fahren mit einer Beschreibung ihrer vorgeschlagenen DNA-Struktur und einem Diagramm fort, das zu ihrem Vorschlag passt. Sie definieren ihre Struktur als Doppelhelix mit zwei spiralförmigen Ketten, die um eine theoretische Achse gewickelt sind. Laut Watson und Crick verlaufen die DNA-Stränge antiparallel zueinander. Das bedeutet, dass die Stränge in entgegengesetzte Richtungen verlaufen. Nukleotide sind keine perfekt symmetrischen Moleküle. Sie haben oben und unten. Wenn also die DNA-Stränge antiparallel verlaufen, wie Watson und Crick beschreiben, hat ein Strang die Nukleotide mit der rechten Seite nach oben und der andere Strang hat die Nukleotide mit dem Kopf nach unten.

Watson und Crick erweitern die Beschreibung ihrer Struktur, indem sie sie mit einem Modell einer Kette von Nukleinsäuren vergleichen, das Sven Furberg, Kristallograf am Birbeck College in London, Großbritannien, 1952 vorgeschlagen hat. Watson und Crick sagen, dass ihr DNA-Modell wie Furbergs Modell die Basen innerhalb der Doppelhelix und die Phosphat-Rückgrate außerhalb der Doppelhelix aufweist. Ähnlich wie Furbergs Struktur erklären Watson und Crick, dass die Basen senkrecht zu den Desoxyriboseringen und Phosphatgruppen der Nukleotide stehen. Mit anderen Worten, die Basen sind wie Sprossen einer Leiter und die Desoxyribose-Zucker- und Phosphatgruppen sind wie die Schienen der Leiter. Nachdem Watson und Crick einige verbleibende Details über ihre Struktur beschrieben haben, beenden sie ihre allgemeine Beschreibung ihres DNA-Modells.

Watson und Crick diskutieren dann die neuartigen Merkmale ihres DNA-Modells. Das erste Merkmal, das die Autoren diskutieren, ist, wie die beiden DNA-Stränge verbunden sind. Die Autoren geben an, dass eine einzelne Base aus einem DNA-Strang über Wasserstoffbrückenbindungen an eine einzelne Base aus dem gegenüberliegenden DNA-Strang bindet. In der DNA treten Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Wasserstoffatomen und Sauerstoff- oder Stickstoffatomen auf. Während Wasserstoffbrückenbindungen schwächer sind als die Phosphatbindungen, die Nukleotide in jedem DNA-Strang miteinander verbinden, sind sie stark genug, um die beiden helikalen Stränge zusammenzuhalten. Watson und Crick erklären, dass für eine ausreichende Wasserstoffbindung innerhalb jedes Paares verbundener Basen eine Base ein Purin, ein Doppelring, und eine Base ein Pyrimidin, ein einzelner Ring, sein muss.

Als nächstes beschreiben Watson und Crick die spezifische Identität jeder Base in einem Basenpaar. Die Autoren gehen davon aus, dass jede der vier Basen nur mit einer anderen Art von Base paaren kann. Adenin, ein Purin, kann sich nur mit Thymin, einem Pyrimidin, paaren. Guanin, ein Purin, kann sich nur mit Cytosin, einem Pyrimidin, paaren. Basierend auf dieser Logik erklären Watson und Crick, dass die Sequenz der Basen entlang eines DNA-Strangs automatisch die Sequenz des anderen Strangs bestimmt. Jede Base entlang eines DNA-Strangs paart sich mit ihrem einzigen lebensfähigen Gegenstück auf dem gegenüberliegenden Strang. Um ihre Behauptung über spezifische Basisschälungen zu stützen, Watson und Crick zitieren experimentelle Beweise. Erwin Chargaff von der Columbia University in New York City erhielt diese Beweise. Die Autoren erklären, dass Chargaff festgestellt hat, dass in der DNA das Verhältnis von Adenin zu Thymin und Guanin zu Cytosin immer ungefähr eins zu eins ist. Das bedeutet, dass die Menge an Adenin in der DNA ungefähr der Menge an Thymin und die Menge an Guanin ungefähr der Menge an Cytosin entspricht, was der wahrscheinliche Fall ist, wenn die Basenpaarung in der DNA spezifisch ist.

Nach der Diskussion der Basenpaarung schließen Watson und Crick mit röntgenkristallographischen Beweisen, die sie zur Erzeugung ihres DNA-Modells verwendeten. Watson und Crick erkennen an, dass die röntgenkristallographischen Beweise für DNA, die vor dem Verfassen ihres Artikels veröffentlicht wurden, ihr Modell nicht allein bestätigen konnten und dass weitere experimentelle Beweise erforderlich sind, um ihr Modell zu beweisen. Watson und Crick postulieren dann, dass der von ihnen vorgeschlagene Basenpaarungsmechanismus einen möglichen DNA-Replikationsmechanismus implizierte, obwohl sie diesen Mechanismus nicht beschreiben. Die Autoren beenden dann ihren Artikel mit Danksagungen.

Bei der Entwicklung ihres DNA-Modells stützten sich Watson und Crick auf unveröffentlichte experimentelle Röntgenkristallographie-Daten. Wissenschaftler am Kings College London in London, Großbritannien, sammelten diese Daten. Rosalind Franklin, eine Chemikerin, und ihr Doktorand Raymond Gosling sammelten die Daten. Watson und Crick haben diese Personen in ihrer Arbeit anerkannt. Von 1951 bis 1953 sammelten Franklin und Gosling Röntgenbeugungsmusterbilder von DNA, die sie aus den Röntgenstrahlen von DNA-Kristallen erhielten. Als Watson und Crick „Eine Struktur für Desoxyribose-Nukleinsäure“ schrieben, hatten Franklin und Gosling ihre klarsten DNA-Beugungsbilder nicht veröffentlicht, obwohl diese Bilder Verbesserungen gegenüber den damals veröffentlichten Daten aufwiesen. Anfang 1953 zeigte Maurice Wilkins, ein Mitarbeiter des Kings College, Watson ohne Franklins Wissen eines von Franklins klaren Beugungsmustern der DNA. Später erhielten Watson und Crick einen Bericht, den Franklin über ihre experimentellen Ergebnisse schrieb. Dieser Bericht enthielt Daten, die Franklin 1951 bei einem Kolloquium am Kings College vorstellte. Bei der Entwicklung ihres eigenen DNA-Modells zogen Watson und Crick Schlussfolgerungen aus Daten, die sowohl in Franklins Beugungsbild als auch in ihrem Bericht enthalten waren.

1962 teilten Watson und Crick den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin mit Wilkins für ihre Erkenntnisse über die Struktur der DNA und ihre Rolle in der Genetik, von denen viele in „A Structure for Desoxyribose Nucleic Acid.“ Franklin starb 1958 vor der Verleihung des Nobelpreises 1962 und erhielt den Nobelpreis nicht, die Verleihung des Nobelpreises erfolgt niemals posthum. Einige Leute spekulieren, dass sie es für ihren Beitrag zur Lösung der DNA-Struktur erhalten würde, wenn sie am Leben wäre. Andere glaubten nicht, dass sie entscheidende Beiträge zur Lösung der DNA-Struktur leistete. Die Rolle, die Franklin bei der Entdeckung der Struktur spielte, wurde erst nach der Veröffentlichung von Watsons Buch The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA im Jahr 1968 realisiert. Aaron Klug, Franklins letzter Doktorand und Kollege am Birkbeck College, in London, erbte ihre Notizbücher und Papiere, als sie starb und veröffentlichte, „Rosalind Franklin und die Entdeckung der Struktur der DNA“ eine Überprüfung ihrer Notizbücher und Papiere nach Veröffentlichung von Watsons Buch. Franklin und Gosling veröffentlichten fünf Arbeiten zur DNA-Struktur, von denen die ersten beiden an die Presse geschickt wurden, bevor Franklin von dem Watson-Crick-Modell wusste. Diese Arbeiten waren sehr technische Arbeiten, die sich mit Röntgenkristallographie befassten, weshalb sie möglicherweise keine größere Aufmerksamkeit erhielten.

Watson und Cricks Struktur der DNA ist weitgehend unter den Wissenschaftlern durch das einundzwanzigste Jahrhundert akzeptiert. Die dreidimensionale Struktur der DNA Watson und Crick vorgeschlagen, die B-Form DNA genannt, Terminologie Franklin geprägt, als sie zum ersten Mal Beugungsmuster dieser Form von DNA gesammelt. Die B-Form-DNA ist die stabilste Konformation der DNA unter physiologischen Bedingungen, obwohl DNA abhängig von ihrer Basenfolge und ihrer Umgebung andere dreidimensionale Bestätigungen annehmen kann. In den nächsten sieben Jahren nach der Veröffentlichung von „A Structure of Desoxyribonucleic Acid“ von 1953 erhielten Wilkins und sein Forschungsteam Röntgenbeugungsbilder mit höherer Auflösung von B-Form-DNA aus einer Vielzahl von Spezies. Aus den qualitativ hochwertigeren Bildern nahm Wilkins kleine Anpassungen an den Abmessungen der DNA-Struktur von Watson und Cricks vor.

„“Eine Struktur der Desoxyribose-Nukleinsäure“ hatte unmittelbare Auswirkungen sowohl auf die Untersuchung von DNA als genetischem Material als auch auf das Gebiet der Molekularbiologie. Watson und Cricks Artikel verschoben Wissenschaftler weg von der Frage, wie DNA strukturiert war und in Richtung der Frage, wie DNA funktionierte. Später im Jahr 1953 schrieben Watson und Crick ein zweites Papier, „Genetische Implikationen der Struktur von Desoxyribonukleinsäure“, das sich damit befasste, wie sich DNA selbst replizieren könnte, um die darin codierte genetische Information weiterzugeben.