the Embryo Project Encyclopedia

huhtikuussa 1953 James Watson ja Francis Crick julkaisivat Nature-lehdessä teoksen” Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid ”tai” A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”. Artikkelissa Watson ja Crick ehdottavat deoksiribonukleiinihapolle tai DNA: lle uudenlaista rakennetta. Vuonna 1944 Oswald T. Avery ja hänen ryhmänsä Rockefellerin yliopistossa New Yorkissa julkaisivat kokeellisia todisteita siitä, että DNA: ssa oli biologisia tekijöitä, joita kutsutaan geeneiksi, jotka määräävät eliöiden kasvun ja kehittymisen. Tutkijat eivät tienneet, miten DNAás: n toiminta johti geneettisen informaation kulkeutumiseen solusta toiseen eli eliöstä toiseen. Watsonin ja Crickin esittelemä malli yhdisti geenien käsitteen perinnöllisyyteen, kasvuun ja kehitykseen. Kuten 2018, useimmat tutkijat hyväksyvät Watson ja Cricks malli DNA esitetty artikkelissa. DNA: ta käsittelevästä työstään Watson ja Crick jakoivat vuoden 1962 Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon Maurice Wilkinsin kanssa.

Watsonin ja Crickin yhteistyö ”A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” – teoksen kirjoittamiseksi alkoi lokakuussa 1951 pian sen jälkeen, kun Watson oli saapunut Cambridgen yliopiston Cavendishin laboratorioon Cambridgeen Englantiin. Watson oli tuolloin 23-vuotias tutkijatohtori Yhdysvalloista ja Crick 35-vuotiaana tohtoriopiskelija Cambridgen yliopistosta. Watson ja Crick alkoivat tutkia DNA: n rakennetta yhdessä pian Watsonin saavuttua Cavendishin laboratorioon. He söivät usein lounasta yhdessä ja keskustelivat työstään ja muiden työstä laboratoriossa. Lopulta laboratorion vanhemmat jäsenet antoivat Watsonille ja Crickille toimistotilan jaettavaksi.

vuonna 1944 Averys-ryhmä Rockefellerin yliopistollisessa sairaalassa julkaisi artikkelin, jossa esitettiin kokeellista näyttöä siitä, että DNA sisälsi geenejä. Vuosikymmeniä ennen Watsonin ja Cricksin artikkelin julkaisua tutkijat löysivät todisteita DNA: n rakenneosista, joita kutsutaan nukleotideiksi. Nukleotidit koostuvat kolmesta osasta. Nukleotidin keskiosa on deoksiriboosin toiselle puolelle kiinnittynyt deoksiriboosisokeri on fosforin ja hapen muodostama negatiivisesti varautunut fosfaattiryhmä ja deoksiriboosin vastakkaisella puolella on yksi neljästä typpiemäksestä, joka vaihtelee nukleotidien välillä. Tutkijat olivat julkaisseet DNA: n neljän emäksen rakenteesta: adeniinin, tymiinin, guaniinin ja sytosiinin. Adeniini ja guaniini muodostuvat kahdesta fuusioituneesta renkaasta, joita kutsutaan puriineiksi. Sytosiini ja tymiini ovat yksittäisiä rengasrakenteita, joita kutsutaan pyrimidiineiksi.

kirjoittaessaan artikkeliaan Watson ja Crick luottivat röntgenkristallografiakokeiden tuloksiin. Röntgenkristallografiaa varten tutkijat ampuvat röntgensäteitä, jotka ovat korkeaenergisiä sähkömagneettisia aaltoja Kiteellä. Kun säde osuu kiteeseen, röntgensäteet hajaantuvat tavalla, joka riippuu Kiteen atomien kolmiulotteisista järjestelyistä. Kokeessa syntyy diffraktiokuvioksi kutsuttu kuva, jonka avulla tutkijat selvittävät havaitsemansa Kiteen kolmiulotteista rakennetta. Artikkelin julkaisua edeltäneinä vuosina tutkijat käyttivät röntgenkristallografiaa selvittääkseen DNA: n kolmiulotteista rakennetta. Watson ja Crick eivät koskaan tehneet itse röntgenkristallografiakokeita, mutta he käyttivät muiden tutkijoiden tekemien kokeiden tietoja DNA-mallinsa kehittämiseen.

Watson ja Crick ehdottivat uutta mallia DNA: n kolmiulotteiselle rakenteelle. Artikkeli koostui alle kahdesta sivusta ja siinä oli yksi kuvitus. Tutkielman aluksi Watson ja Crick vastaavat toiseen DNA-malliin, jota ovat ehdottaneet Linus Pauling ja Robert Corey, kaksi California Institute of Technologyn tutkijaa Pasadenassa Kaliforniassa. Pauling ja Corey ehdottivat vaihtoehtoista mallia vain muutamaa kuukautta ennen kuin Watson ja Crick kirjoittivat artikkelinsa.

Watson ja Crick aloittavat kirjoituksensa käsittelemällä Paulingin ja Coreyn ehdottamaa vaihtoehtoista mallia. Watson ja Crick eivät kuvailleet DNA: ta yksityiskohtaisesti, mutta Pauling-Corey-malli oli kolminkertainen helix, jossa jokainen kolmesta kierteisestä säikeestä sisälsi nukleotideja, jotka oli sidottu yhteen. Pauling-Corey-mallissa negatiivisesti varautuneet fosfaattiryhmät kohtasivat kolmoiskierteen sisällä ja emäkset kolmoiskierteen ulkopuolella. Kirjoituksessaan Watson ja Crick kritisoivat Pauling-Coreyn mallia. Ensinnäkin he väittävät, että DNA-emäkset eivät voi kohdata ulospäin fosfaattiryhmien kääntyessä sisäänpäin. Watson ja Crick väittävät, että DNA-juosteet kiinnittyvät toisiinsa emästen kautta, joten jos emästen suunta olisi ulospäin, DNA-juosteita ei yhdistäisi mikään. Kirjoittajat väittivät myös, että jos DNA-säikeiden negatiivisesti varautuneet fosfaattirungot kohtaisivat sisäänpäin, ne hylkisivät toisiaan. Lisäksi atomien järjestely Pauling-Corey-rakenteessa hylkisi toisiaan. Tähän päättyy Watsonin ja Cricksin kritiikki Pauling-Coreyn mallia kohtaan tutkielmassaan.

Watson ja Crick jatkavat kuvausta ehdotetusta DNA-rakenteestaan ja diagrammia, joka kulkee heidän ehdotuksensa mukana. Ne määrittelevät rakenteensa kaksoiskierteeksi, jossa kaksi kierteistä ketjua on kietoutunut teoreettisen akselin ympärille. Watsonin ja Crickin mukaan DNA-säikeet ovat toistensa vastakohtia. Se tarkoittaa, että säikeet kulkevat vastakkaisiin suuntiin. Nukleotidit eivät ole täysin symmetrisiä molekyylejä. Niissä on ylä-ja alaosa. Joten, kun DNA-säikeet suorittaa antiparallel kuten Watson ja Crick kuvailevat, yksi säie on nukleotidit suunnattu oikea puoli ylöspäin ja toinen säie on nukleotidit ylösalaisin.

Watson ja Crick jatkoivat rakenteensa kuvausta vertaamalla sitä Lontoon Birbeck Collegen kristallografin Sven Furbergin vuonna 1952 esittämään nukleiinihappoketjun malliin. Watson ja Crick sanovat, että Furbergien mallin tavoin heidän DNA-mallinsa emäs on kaksoiskierteen sisäpuolella ja fosfaatin selkäruoto kaksoiskierteen ulkopuolella. Myös Furbergien rakennetta muistuttavat Watson ja Crick selittävät emästen olevan kohtisuorassa nukleotidien deoksiriboosirenkaita ja fosfaattiryhmiä vastaan. Toisin sanoen emäkset ovat kuin tikapuiden puolat ja deoksiriboosisokeri-ja fosfaattiryhmät ovat kuin tikapuiden kiskot. Kuvailtuaan joitakin jäljellä olevia yksityiskohtia niiden rakenteesta Watson ja Crick päättävät yleisen kuvauksen DNA-mallistaan.

Watson ja Crick keskustelevat tämän jälkeen DNA-malliinsa liittyvistä uusista piirteistä. Ensimmäinen piirre kirjoittajat keskustelevat on, miten kaksi osa DNA: n ovat yhteydessä. Kirjoittajat toteavat, että yksi emäs yhdestä DNA-juosteesta kiinnittyy vetysidosten kautta vastakkaisesta DNA-juosteesta yhteen emäseen. DNA: ssa vetyatomien ja happi-tai typpiatomien välillä esiintyy vetysidoksia. Vaikka vetysidokset ovat heikompia kuin nukleotideja yhteen yhdistävät fosfaattisidokset kussakin DNA-juosteessa, ne ovat riittävän vahvoja pitämään kaksi kierteistä juostetta yhdessä. Watson ja Crick selittävät, että jotta riittävä vetysidos tapahtuisi, jokaisen yhdistetyn emäsparin sisällä yhden emäs on oltava puriini, kaksoisrengas, ja yhden emäs on oltava pyrimidiini, yksi rengas.

seuraavaksi Watson ja Crick kuvailevat kunkin emäsparin oman identiteetin. Kirjoittajat olettavat, että jokainen neljästä emäksestä voi parittaa vain yhden muun kantatyypin kanssa. Adeniini, puriini, voi vain pariutua tymiinin, pyrimidiinin, kanssa. Guaniini, puriini, voi vain pariutua sytosiinin, pyrimidiinin, kanssa. Tämän logiikan perusteella Watson ja Crick selittävät, että emästen jono yhtä DNA-juostetta pitkin määrää automaattisesti toisen juosteen sekvenssin. Jokainen DNA-juostetta pitkin kulkeva emäs pariutuu ainoan elinkelpoisen vastineensa kanssa vastakkaisella juosteella. Väitteensä tueksi Watson ja Crick esittävät kokeellisia todisteita. Erwin Chargaff Columbian yliopistosta New Yorkista sai nämä todisteet. Kirjoittajat selittävät, että Chargaff määritti, että DNA: ssa adeniinin ja tymiinin ja guaniinin suhde sytosiiniin on aina suurin piirtein yksi yhteen. Tämä tarkoittaa, että adeniinin määrä DNA: ssa vastaa suunnilleen tymiinin määrää ja guaniinin määrä suunnilleen sytosiinin määrää, mikä on todennäköinen tapaus, jos emäspariutuminen DNA: ssa on spesifinen.

keskusteltuaan emäspariutumisesta Watson ja Crick päättelevät röntgenkristallografialla, että he käyttivät DNA-mallinsa tuottamiseen. Watson ja Crick myöntävät, että ennen heidän artikkelinsa kirjoittamista julkaistut röntgenkristallografiset todisteet DNA: sta eivät voineet yksin vahvistaa heidän malliaan, ja heidän mallinsa todistamiseen tarvitaan lisää kokeellista näyttöä. Watson ja Crick esittävät sitten, että heidän ehdottamansa emäspariutumismekanismi viittasi mahdolliseen DNA: n replikaatiomekanismiin, vaikka he eivät kuvaile tätä mekanismia. Tämän jälkeen kirjoittajat päättävät kirjoituksensa kiitoksiin.

kehittäessään DNA-malliaan Watson ja Crick luottivat julkaisemattomaan röntgenkristallografian kokeelliseen aineistoon. Tiedot keräsivät Lontoossa sijaitsevan Kings College Londonin tutkijat. Kemisti Rosalind Franklin ja hänen jatko-opiskelijansa Raymond Gosling keräsivät tiedot. Watson ja Crick tunnustivat henkilöt lehdessään. Vuosina 1951-1953 Franklin ja Gosling kokosivat DNA: sta röntgendiffraktiokuvia, jotka he saivat DNA-kiteiden röntgenkuvista. Kun Watson ja Crick kirjoittivat teoksen ”A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, Franklin ja Gosling eivät olleet julkaisseet selkeimpiä DNA-diffraktiokuviaan, vaikka kuvissa oli parannuksia siihen aikaan julkaistuun dataan verrattuna. Vuoden 1953 alussa Kings Collegen työtoveri Maurice Wilkins näytti Watsonille Franklinsin selvän DNA: n diffraktiokuvion. Myöhemmin Watson ja Crick saivat Franklinin kirjoittaman raportin hänen kokeellisista löydöistään. Tämä raportti sisälsi tietoja Franklin esitteli kollokvio klo Kings College vuonna 1951. Kehittäessään omaa DNA-malliaan Watson ja Crick tekivät johtopäätöksiä sekä Franklinsin diffraktiokuvan että hänen raporttinsa sisältämistä tiedoista.

vuonna 1962 Watson ja Crick jakoivat Wilkinsin kanssa Nobelin fysiologian tai lääketieteen palkinnon DNA: n rakennetta ja sen roolia genetiikassa koskevista löydöksistään, joista monet ilmestyivät teoksessa ”a Structure for Deoxyribose Nucleic Acid.”Franklin kuoli vuonna 1958 ennen vuoden 1962 Nobel-palkinnon myöntämistä, eikä hän saanut Nobel-palkintoa, sitä ei koskaan jaeta postuumisti. Jotkut arvelevat, että jos hän olisi elossa, hän saisi sen panoksestaan DNA: n rakenteen selvittämiseen. Toisten mielestä hän ei vaikuttanut ratkaisevasti DNA: n rakenteen ratkaisemiseen. Roll Franklin soitti discovery of the structure vasta julkaisun jälkeen Watsons kirja Double Helix: a Personal Account of the Discovery of DNA vuonna 1968. Aaron Klug, Franklins viimeinen jatko-opiskelija ja kollega Birkbeck College, Lontoo, perinyt muistikirjat ja paperit, kun hän kuoli ja julkaistu, ”Rosalind Franklin ja löytö rakenne DNA” katsaus hänen muistikirjat ja paperit julkaisemisen jälkeen Watsons book. Franklin ja Gosling julkaisivat viisi tutkielmaa DNA: n rakenteesta, jotka kaksi ensimmäistä lähetettiin painoon ennen kuin Franklin tiesi Watson-Crick-mallista. Nämä paperit olivat hyvin teknisiä tutkielmia, jotka käsittelivät röntgenkristallografiaa, minkä vuoksi ne eivät ehkä saaneet enemmän huomiota.

Watsonin ja Cricksin DNA: n rakenne on säilynyt laajalti tutkijoiden keskuudessa läpi 2000-luvun. DNA: n kolmiulotteista rakennetta Watson ja Crick ehdottivat B-muodon DNA: ksi, terminologian Franklin keksi kerätessään ensimmäisen kerran diffraktiokuvioita kyseisestä DNA: n muodosta. B-muotoinen DNA on DNA: n stabiilein konformaatio fysiologisissa olosuhteissa, joskin DNA voi hyväksyä muita kolmiulotteisia vahvistuksia emäsjärjestyksestään ja ympäristöstään riippuen. Seuraavien seitsemän vuoden ajan vuonna 1953 julkaistun ”A Structure of Deoxyribonukleic Acid”-teoksen jälkeen Wilkins tutkimusryhmineen sai korkearesoluutioisia röntgendiffraktiokuvia, joissa B muodostaa DNA: ta eri lajeista. Laadukkaammista kuvista Wilkins teki pieniä muutoksia Watsonin ja Cricksin DNA-rakenteen mittoihin.

””A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” vaikutti välittömästi sekä DNA: n tutkimiseen geneettisenä materiaalina että molekyylibiologian alaan. Watsonin ja Cricksin artikkeli siirsi tutkijat pois DNA: n rakennetta koskevasta kysymyksestä ja kohti kysymystä siitä, miten DNA toimii. Myöhemmin vuonna 1953 Watson ja Crick kirjoittivat toisen tutkielman ”Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid”, joka käsitteli sitä, miten DNA voisi itse replikoitua välittääkseen siihen koodattua geneettistä informaatiota eteenpäin.