The Embryo Project Encyclopedia

Nell’aprile del 1953, James Watson e Francis Crick pubblicarono “Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” o “A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,” sulla rivista Nature. Nell’articolo, Watson e Crick propongono una nuova struttura per l’acido desossiribonucleico o il DNA. Nel 1944, Oswald T. Avery e il suo gruppo alla Rockefeller University di New York City, New York ha pubblicato prove sperimentali che il DNA conteneva i fattori biologici chiamati geni che dettano come gli organismi crescono e si sviluppano. Gli scienziati non sapevano come la funzione DNAás ha portato al passaggio di informazioni genetiche da cellula a cellula, o organismo a organismo. Il modello presentato da Watson e Crick collegava il concetto di geni all’ereditarietà, alla crescita e allo sviluppo. A partire dal 2018, la maggior parte degli scienziati accettano Watson e Cricks modello di DNA presentato in questo articolo. Per il loro lavoro sul DNA, Watson e Crick hanno condiviso il premio Nobel 1962 in Fisiologia o Medicina con Maurice Wilkins.

La collaborazione che portò Watson e Crick a scrivere “A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” iniziò nell’ottobre del 1951 poco dopo l’arrivo di Watson al Cavendish Laboratory dell’Università di Cambridge a Cambridge, in Inghilterra. A quel tempo, Watson era un ricercatore post-dottorato di ventitré anni dagli Stati Uniti e Crick, all’età di trentacinque anni, era uno studente di dottorato presso l’Università di Cambridge. Watson e Crick hanno iniziato a studiare la struttura del DNA insieme subito dopo Watson è arrivato al Laboratorio Cavendish. Spesso pranzavano insieme e discutevano del loro lavoro e del lavoro degli altri in laboratorio. Alla fine, i membri senior del laboratorio hanno dato Watson e Crick uno spazio ufficio da condividere.

Nel 1944, il gruppo Averys al Rockefeller University Hospital pubblicò un articolo che forniva prove sperimentali che il DNA conteneva geni. Decenni prima della pubblicazione dell’articolo di Watson e Cricks, gli scienziati hanno trovato prove dei mattoni del DNA chiamati nucleotidi. I nucleotidi sono composti da tre parti. La parte centrale del nucleotide è uno zucchero desossiribosio attaccato ad un lato del desossiribosio è un gruppo fosfato caricato negativamente composto da fosforo e ossigeno e sul lato opposto del desossiribosio è una delle quattro basi azotate, che varia tra i nucleotidi. Gli scienziati avevano pubblicato sulla struttura delle quattro basi nel DNA: adenina, timina, guanina e citosina. Adenina e guanina sono fatti di due anelli fusi e chiamati purine. Citosina e timina sono strutture ad anelli singoli chiamate pirimidine.

Quando Watson e Crick scrissero il loro articolo, si basarono sui risultati degli esperimenti di cristallografia a raggi X. Per condurre la cristallografia a raggi X, gli scienziati sparano un raggio di raggi X, che sono onde elettromagnetiche ad alta energia su un cristallo. Una volta che il raggio colpisce il cristallo, i raggi X si disperdono in un modo che dipende dalle disposizioni tridimensionali degli atomi in quel cristallo. L’esperimento si traduce in un’immagine, chiamata modello di diffrazione, che gli scienziati usano per determinare la struttura tridimensionale del cristallo che osservano. Durante gli anni precedenti alla pubblicazione dell’articolo, gli scienziati hanno utilizzato la cristallografia a raggi X per conoscere la struttura tridimensionale del DNA. Mentre Watson e Crick non hanno mai condotto esperimenti di cristallografia a raggi X, hanno usato i dati di esperimenti condotti da altri scienziati per sviluppare il loro modello di DNA.

Watson e Crick hanno proposto un nuovo modello per la struttura tridimensionale del DNA. L’articolo consisteva in meno di due pagine e aveva un’illustrazione. Per iniziare la carta, Watson e Crick rispondono ad un altro modello di DNA proposto da Linus Pauling e Robert Corey, due scienziati del California Institute of Technology di Pasadena, in California. Pauling e Corey hanno proposto un modello alternativo solo pochi mesi prima che Watson e Crick scrivessero il loro articolo.

Watson e Crick iniziano il loro articolo discutendo il modello alternativo proposto da Pauling e Corey. Anche se non descritto in dettaglio da Watson e Crick, il modello di Pauling-Corey del DNA era una tripla elica, in cui ciascuno dei tre filamenti elicoidali conteneva nucleotidi legati insieme. Nel modello Pauling-Corey, i gruppi fosfatici caricati negativamente si trovavano all’interno della tripla elica e le basi all’esterno della tripla elica. Nel loro articolo, Watson e Crick criticano il modello Pauling-Corey. In primo luogo, sostengono che le basi del DNA non possono essere rivolte verso l’esterno con i gruppi fosfatici rivolti verso l’interno. Watson e Crick sostengono che i filamenti di DNA legano insieme attraverso le basi, quindi se le basi rivolte verso l’esterno, non ci sarebbe nulla che collega i filamenti di DNA. Gli autori hanno anche sostenuto che se le dorsali di fosfato caricate negativamente dei filamenti di DNA affrontassero verso l’interno, si respingerebbero a vicenda. Inoltre, la disposizione degli atomi nella struttura di Pauling-Corey si respingerebbe a vicenda. Che conclude Watson e Cricks critica del modello Pauling-Corey nel loro documento.

Watson e Crick continuano con una descrizione della loro struttura proposta di DNA e un diagramma per andare avanti con la loro proposta. Definiscono la loro struttura come una doppia elica, con due catene elicoidali arrotolate attorno ad un asse teorico. Secondo Watson e Crick, i filamenti di DNA sono antiparalleli l’uno all’altro. Ciò significa che i fili corrono in direzioni opposte. I nucleotidi non sono molecole perfettamente simmetriche. Hanno una parte superiore e una inferiore. Quindi, quando i filamenti di DNA sono antiparalleli come descrivono Watson e Crick, un filamento ha i nucleotidi rivolti verso destra verso l’alto e l’altro filamento ha i nucleotidi rivolti verso l’alto.

Watson e Crick hanno ulteriormente descritto la loro struttura confrontandola con un modello di una catena di acidi nucleici proposto da Sven Furberg, un cristallografo al Birbeck College, a Londra, Regno Unito, nel 1952. Watson e Crick dicono che come il modello di Furbergs, il loro modello di DNA ha le basi rivolte all’interno della doppia elica e le dorsali di fosfato rivolte all’esterno della doppia elica. Anche simile alla struttura di Furbergs, Watson e Crick spiegano che le basi sono perpendicolari agli anelli desossiribosio e ai gruppi fosfatici dei nucleotidi. In altre parole, le basi sono come i gradini di una scala e i gruppi di zucchero e fosfato desossiribosio sono come le rotaie della scala. Dopo aver descritto alcuni dettagli rimanenti sulla loro struttura, Watson e Crick finiscono la loro descrizione generale del loro modello di DNA.

Watson e Crick discutono quindi le nuove caratteristiche relative al loro modello di DNA. La prima caratteristica che gli autori discutono è come i due filamenti di DNA sono collegati. Gli autori affermano che una singola base da un filamento di DNA si attacca a una singola base dal filamento di DNA opposto tramite legami idrogeno. Nel DNA, i legami idrogeno si verificano tra atomi di idrogeno e atomi di ossigeno o azoto. Mentre i legami idrogeno sono più deboli dei legami fosfatici che collegano i nucleotidi insieme in ciascun filamento di DNA, sono abbastanza forti da tenere insieme i due filamenti elicoidali. Watson e Crick spiegano che per un adeguato legame con l’idrogeno, all’interno di ogni coppia di basi collegate, una base deve essere una purina, un doppio anello e una base deve essere una pirimidina, un singolo anello.

Successivamente, Watson e Crick descrivono l’identità specifica di ciascuna base in una coppia di basi. Gli autori presumono che ciascuna delle quattro basi possa accoppiarsi solo con un altro tipo di base. L’adenina, una purina, può solo accoppiarsi con la timina, una pirimidina. La guanina, una purina, può solo accoppiarsi con la citosina, una pirimidina. Sulla base di questa logica, Watson e Crick spiegano che la sequenza di basi lungo un filamento di DNA determina automaticamente la sequenza dell’altro filamento. Ogni base lungo un filamento di DNA si accoppia con la sua unica controparte vitale sul filo opposto. Per sostenere la loro affermazione su base specifica paring, Watson e Crick citano prove sperimentali. Erwin Chargaff alla Columbia University di New York City, New York ha ottenuto quella prova. Gli autori spiegano che Chargaff ha determinato che nel DNA il rapporto tra adenina e timina e guanina e citosina è sempre approssimativamente uno a uno. Ciò significa che la quantità di adenina nel DNA è approssimativamente uguale alla quantità di timina e la quantità di guanina è approssimativamente uguale alla quantità di citosina, che è il caso probabile se l’accoppiamento di base nel DNA è specifico.

Dopo la discussione sull’accoppiamento di base, Watson e Crick concludono con prove di cristallografia a raggi X che hanno usato per generare il loro modello di DNA. Watson e Crick riconoscono che le prove cristallografiche a raggi X del DNA pubblicate prima di scrivere il loro articolo non potevano confermare il loro modello da solo e hanno bisogno di ulteriori prove sperimentali per dimostrare il loro modello. Watson e Crick quindi postulano che il meccanismo di accoppiamento di base hanno proposto implicava un possibile meccanismo di replicazione del DNA, anche se non descrivono quel meccanismo. Gli autori concludono quindi il loro articolo con i ringraziamenti.

Nello sviluppo del loro modello di DNA, Watson e Crick si sono basati su dati sperimentali di cristallografia a raggi X non pubblicati. Gli scienziati del Kings College London di Londra, nel Regno Unito, hanno raccolto questi dati. Rosalind Franklin, un chimico, e il suo studente laureato, Raymond Gosling, raccolti i dati. Watson e Crick hanno riconosciuto quegli individui nel loro documento. Dal 1951 al 1953, Franklin e Gosling raccolsero immagini di pattern di diffrazione a raggi X del DNA, che ottennero dai raggi X dei cristalli di DNA. Quando Watson e Crick scrissero “A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, Franklin e Gosling non avevano pubblicato le loro immagini di diffrazione del DNA più chiare, nonostante quelle immagini avessero miglioramenti rispetto ai dati pubblicati all’epoca. All’inizio del 1953, senza Franklins conoscenza, Maurice Wilkins un collega al Kings College ha mostrato Watson uno dei Franklins chiari modelli di diffrazione del DNA. Più tardi, Watson e Crick hanno ricevuto un rapporto che Franklin ha scritto sui suoi risultati sperimentali. Quel rapporto conteneva dati che Franklin presentò a un colloquio al Kings College nel 1951. Durante lo sviluppo del proprio modello di DNA, Watson e Crick hanno tratto conclusioni dai dati contenuti all’interno di entrambe le immagini di diffrazione di Franklin e del suo rapporto.

Nel 1962, Watson e Crick condivisero il premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina con Wilkins per le loro scoperte relative alla struttura del DNA e al suo ruolo nella genetica, molte delle quali apparvero in “A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid.”Franklin è morto nel 1958 prima dell’assegnazione del premio Nobel 1962 e non ha ricevuto il premio Nobel, il premio Nobel non è mai postumo. Alcune persone ipotizzano che se fosse viva lo riceverebbe per il suo contributo alla risoluzione della struttura del DNA. Altri non pensavano che avesse dato contributi cruciali alla soluzione della struttura del DNA. Il rotolo Franklin ha giocato nella scoperta della struttura realizzata solo dopo la pubblicazione del libro di Watsons The Double Helix: un resoconto personale della scoperta della struttura del DNA nel 1968. Aaron Klug, Franklins ultimo studente laureato e collega al Birkbeck College, a Londra, ereditato i suoi quaderni e documenti quando morì e pubblicato, “Rosalind Franklin e la scoperta della struttura del DNA” una revisione dei suoi quaderni e documenti dopo la pubblicazione del libro Watsons. Franklin e Gosling pubblicato cinque documenti sulla struttura del DNA i primi due inviati alla stampa prima Franklin sapeva del modello Watson-Crick. Questi documenti erano documenti molto tecnici che si occupano di cristallografia a raggi X, che può perché non hanno ricevuto più attenzione.

Watson e Cricks struttura del DNA è rimane in gran parte accettato tra gli scienziati attraverso il ventunesimo secolo. La struttura tridimensionale del DNA proposto Watson e Crick chiamato il DNA B-form, terminologia Franklin coniato quando ha raccolto modelli di diffrazione di quella forma di DNA. Il DNA di forma B è la conformazione più stabile del DNA in condizioni fisiologiche, sebbene il DNA possa adottare altre conferme tridimensionali a seconda della sua sequenza di base e del suo ambiente circostante. Per i successivi sette anni successivi alla pubblicazione del 1953 di “A Structure of Desoxyribonucleic Acid”, Wilkins e il suo team di ricerca ottennero immagini di diffrazione a raggi X ad alta risoluzione del DNA di forma B da una varietà di specie. Dalle immagini di qualità superiore, Wilkins ha fatto piccoli aggiustamenti alle dimensioni della struttura del DNA Watson e Cricks.

“”A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” ha avuto impatti immediati sia sullo studio del DNA come materiale genetico che sul campo della biologia molecolare. L’articolo di Watson e Cricks ha spostato gli scienziati dalla questione di come il DNA fosse strutturato e verso la questione di come funzionasse il DNA. Più tardi, nel 1953, Watson e Crick scrissero un secondo articolo, “Implicazioni genetiche della struttura dell’acido desossiribonucleico”, che affrontava come il DNA potesse auto-replicarsi per trasmettere le informazioni genetiche codificate al suo interno.