the Embryo Project Encyclopedia

w kwietniu 1953 James Watson i Francis Crick opublikowali „Molecular Structure of Nucleic Acids: a Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” lub „a Structure for Deoxyribose Nucleic Acid” w czasopiśmie Nature. W artykule Watson i Crick zaproponowali nową strukturę kwasu deoksyrybonukleinowego lub DNA. W 1944 Oswald T. Avery i jego grupa na Uniwersytecie Rockefellera w Nowym Jorku opublikowali eksperymentalne dowody, że DNA zawiera czynniki biologiczne zwane genami, które dyktują, jak organizmy rosną i rozwijają się. Naukowcy nie wiedzieli, w jaki sposób funkcja Dnaas prowadzi do przekazywania informacji genetycznej z komórki do komórki, czyli z organizmu do organizmu. Model przedstawiony przez Watsona i Cricka łączył pojęcie genów z dziedzicznością, wzrostem i rozwojem. Od 2018 r. większość naukowców akceptuje przedstawiony w artykule Model DNA Watsona i Cricksa. Za swoją pracę nad DNA, Watson i Crick podzielili się z Maurice Wilkinsem Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny w 1962 roku.

współpraca, która doprowadziła Watsona i Cricka do napisania „a Structure of Deoxyribose Nucleic Acid”, rozpoczęła się w październiku 1951 roku, wkrótce po przybyciu Watsona do Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie Cambridge w Cambridge w Anglii. W tym czasie Watson był dwudziestotrzyletnim badaczem podoktorskim ze Stanów Zjednoczonych, a Crick w wieku trzydziestu pięciu lat był doktorantem na Uniwersytecie w Cambridge. Watson i Crick rozpoczęli wspólne badania struktury DNA wkrótce po przybyciu Watsona do Laboratorium Cavendisha. Często jedli razem lunch i dyskutowali o swojej pracy i pracy innych w laboratorium. Ostatecznie starsi członkowie laboratorium udostępnili Watsonowi i Crickowi przestrzeń biurową.

w 1944 Grupa Averys w Szpitalu Uniwersyteckim Rockefeller opublikowała artykuł, który dostarczył eksperymentalnych dowodów na to, że DNA zawiera geny. Dekady przed publikacją artykułu Watsona i Cricksa naukowcy odkryli dowody na istnienie bloków budulcowych DNA zwanych nukleotydami. Nukleotydy składają się z trzech części. Środkowa część nukleotydu jest cukrem deoksyrybozowym przyłączonym do jednej strony deoksyrybozy jest ujemnie naładowaną grupą fosforanową złożoną z fosforu i tlenu, a po przeciwnej stronie deoksyrybozy jest jedną z czterech zasad azotowych, które różnią się między nukleotydami. Naukowcy opublikowali strukturę czterech zasad w DNA: adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny. Adenina i guanina są zbudowane z dwóch połączonych pierścieni i nazywane purynami. Cytozyna i tymina są jednowierszowymi strukturami zwanymi pirymidynami.

kiedy Watson i Crick napisali swój artykuł, oparli się na wynikach eksperymentów krystalografii rentgenowskiej. Aby przeprowadzić krystalografię rentgenowską, naukowcy strzelają wiązką promieni rentgenowskich, które są wysokoenergetycznymi falami elektromagnetycznymi w krysztale. Gdy promień uderzy w Kryształ, promienie rentgenowskie rozpraszają się w sposób, który zależy od trójwymiarowego układu atomów w tym krysztale. Wynikiem eksperymentu jest obraz, zwany wzorem dyfrakcyjnym, którego naukowcy używają do określenia trójwymiarowej struktury obserwowanego kryształu. W latach poprzedzających publikację artykułu naukowcy wykorzystali krystalografię rentgenowską do poznania trójwymiarowej struktury DNA. Podczas gdy Watson i Crick nigdy nie prowadzili eksperymentów z krystalografią rentgenowską sami, wykorzystali dane z eksperymentów przeprowadzonych przez innych naukowców do opracowania swojego modelu DNA.

Watson i Crick zaproponowali nowy model trójwymiarowej struktury DNA. Artykuł składał się z mniej niż dwóch stron i miał jedną ilustrację. Na początek artykułu Watson i Crick odpowiadają na inny model DNA zaproponowany przez Linusa Paulinga i Roberta Coreya, dwóch naukowców z California Institute of Technology w Pasadenie w Kalifornii. Pauling i Corey zaproponowali alternatywny model na kilka miesięcy przed napisaniem artykułu przez Watsona i Cricka.

Watson i Crick rozpoczynają swój artykuł od omówienia alternatywnego modelu zaproponowanego przez Paulinga i Coreya. Chociaż nie został szczegółowo opisany przez Watsona i Cricka, Model DNA Paulinga-Coreya był potrójną helisą, w której każda z trzech nici spiralnych zawierała nukleotydy splecione ze sobą. W modelu Paulinga-Coreya ujemnie naładowane grupy fosforanowe zmierzyły się wewnątrz potrójnej helisy, a Zasady zmierzyły się na zewnątrz potrójnej helisy. W swoim artykule Watson i Crick krytykują Model Paulinga-Coreya. Po pierwsze, twierdzą, że zasady DNA nie mogą być skierowane na zewnątrz z grupami fosforanowymi skierowanymi do wewnątrz. Watson i Crick twierdzą, że nici DNA łączą się ze sobą przez zasady, więc jeśli zasady skierowane są na zewnątrz, nic nie łączy nici DNA. Autorzy argumentowali również, że jeśli ujemnie naładowane fosforanowe szkielety nici DNA skierują się do wewnątrz, odpychają się nawzajem. Ponadto układ atomów w strukturze Paulinga-Coreya odpychałby się nawzajem. To kończy Watson i Cricks krytykę modelu Pauling-Corey w ich pracy.

Watson i Crick kontynuują opis proponowanej struktury DNA i diagram, aby przejść wraz z ich propozycją. Definiują swoją strukturę jako podwójną spiralę, z dwoma łańcuchami spiralnymi zwiniętymi wokół osi teoretycznej. Według Watsona i Cricka nici DNA przebiegają przeciwstawnie do siebie. Oznacza to, że nici biegną w przeciwnych kierunkach. Nukleotydy nie są idealnie symetrycznymi cząsteczkami. Mają górę i dół. Tak więc, kiedy nici DNA przebiegają antyrównolegle, jak opisują Watson i Crick, jedna nić ma nukleotydy zwrócone w prawą stronę do góry, a druga nić ma nukleotydy zwrócone do góry nogami.

Watson i Crick kontynuowali opis swojej struktury, porównując ją do modelu łańcucha kwasów nukleinowych zaproponowanego przez Svena Furberga, krystalografa w Birbeck College w Londynie w Wielkiej Brytanii w 1952 roku. Watson i Crick twierdzą, że podobnie jak model Furbergsa, ich model DNA ma zasady zwrócone wewnątrz podwójnej helisy i fosforanowe szkielety zwrócone na zewnątrz podwójnej helisy. Podobnie jak struktura Furbergsa, Watson i Crick wyjaśniają, że zasady są prostopadłe do pierścieni deoksyrybozowych i grup fosforanowych nukleotydów. Innymi słowy, zasady są jak szczeble drabiny, a grupy cukru i fosforanów deoksyrybozy są jak szyny drabiny. Po opisaniu kilku pozostałych szczegółów dotyczących ich struktury, Watson i Crick kończą ogólny opis swojego modelu DNA.

Watson i Crick następnie omawiają nowe cechy odnoszące się do ich modelu DNA. Pierwszą cechą, o której dyskutują autorzy, jest to, w jaki sposób dwie nici DNA są ze sobą połączone. Autorzy stwierdzają, że pojedyncza zasada z jednej nici DNA łączy się z pojedynczą zasadą z przeciwnej nici DNA poprzez wiązania wodorowe. W DNA zachodzi wiązanie wodorowe pomiędzy atomami wodoru a atomami tlenu lub azotu. Podczas gdy wiązania wodorowe są słabsze niż wiązania fosforanowe łączące nukleotydy razem w każdej nici DNA, są one wystarczająco silne, aby utrzymać dwie spiralne nici razem. Watson i Crick wyjaśniają, że aby doszło do odpowiedniego wiązania wodorowego, w obrębie każdej pary połączonych zasad, jedna zasada musi być puryną, podwójnym pierścieniem, a jedna zasada musi być pirymidyną, pojedynczym pierścieniem.

następnie, Watson i Crick opisują specyficzną tożsamość każdej bazy w parze zasad. Autorzy zakładają, że każda z czterech baz może sparować się tylko z jednym innym rodzajem bazy. Adenina, puryna, może łączyć się tylko z tyminą, pirymidyną. Guanina, puryna, może łączyć się tylko z cytozyną, pirymidyną. Opierając się na tej logice, Watson i Crick wyjaśniają, że sekwencja zasad wzdłuż jednej nici DNA automatycznie określa sekwencję drugiej nici. Każda baza wzdłuż nici DNA para z jej jedynym żywotnym odpowiednikiem na przeciwległej nici. Watson i Crick powołują się na eksperymentalne dowody. Erwin Chargaff z Columbia University w Nowym Jorku uzyskał ten dowód. Autorzy wyjaśniają, że Chargaff ustalił, że w DNA stosunek adeniny do tyminy i guaniny do cytozyny jest zawsze w przybliżeniu jeden do jednego. Oznacza to, że ilość adeniny w DNA w przybliżeniu równa się ilości tyminy, a ilość guaniny w przybliżeniu równa się ilości cytozyny, co jest prawdopodobne, jeśli parowanie zasady w DNA jest specyficzne.

po omówieniu parowania bazy, Watson i Crick dochodzą do wniosku, że krystalografia rentgenowska posłużyła im do wygenerowania modelu DNA. Watson i Crick przyznają, że rentgenowskie dowody krystalograficzne DNA opublikowane przed napisaniem artykułu nie mogły potwierdzić samego ich modelu i potrzebne są bardziej eksperymentalne dowody, aby udowodnić ich model. Watson i Crick postulują następnie, że mechanizm parowania bazy, który zaproponowali, zakłada możliwy mechanizm replikacji DNA, chociaż nie opisują tego mechanizmu. Autorzy kończą swój artykuł podziękowaniami.

opracowując swój model DNA, Watson i Crick oparli się na niepublikowanych danych doświadczalnych krystalografii rentgenowskiej. Naukowcy z Kings College London w Londynie, w Wielkiej Brytanii, zebrali te dane. Rosalind Franklin, chemik, i jej absolwent, Raymond Gosling, zebrali dane. Watson i Crick uznali te osoby w swojej pracy. W latach 1951-1953 Franklin i Gosling zebrali rentgenowskie obrazy dyfrakcyjne DNA, które uzyskali z rentgenowskich kryształów DNA. Kiedy Watson i Crick napisali „a Structure for Deoxyribose Nucleic Acid”, Franklin i Gosling nie opublikowali swoich najbardziej wyraźnych obrazów dyfrakcyjnych DNA, mimo że obrazy te miały poprawę w stosunku do opublikowanych danych w tym czasie. Na początku 1953 roku, bez wiedzy Franklinów, Maurice Wilkins, współpracownik Kings College, pokazał Watsonowi jeden z Franklinów wyraźne wzorce dyfrakcyjne DNA. Później Watson i Crick otrzymali raport, który Franklin napisał o jej odkryciach eksperymentalnych. Raport ten zawierał dane przedstawione przez Franklina na kolokwium w Kings College w 1951 roku. Opracowując własny model DNA, Watson i Crick wyciągnęli wnioski z danych zawartych zarówno w obrazie Dyfrakcyjnym Franklina, jak i jej raporcie.

w 1962 roku Watson i Crick podzielili się Nagrodą Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny z Wilkinsem za ich odkrycia dotyczące struktury DNA i jego roli w genetyce, z których wiele pojawiło się w „a Structure for Deoxyribose Nucleic Acid.”Franklin zmarł w 1958 roku przed przyznaniem nagrody Nobla w 1962 roku i nie otrzymał Nagrody Nobla, przyznanie Nagrody Nobla nigdy nie jest pośmiertnie. Niektórzy spekulują, że gdyby żyła, otrzymałaby ją za swój wkład w rozwiązanie struktury DNA. Inni nie uważali, że wniosła istotny wkład w rozwiązanie struktury DNA. Rolka Franklin odegrał w odkryciu struktury dopiero po opublikowaniu książki Watsonsa the Double Helix: a Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA w 1968 roku. Aaron Klug, ostatni absolwent Franklins i kolega z Birkbeck College w Londynie, odziedziczył jej zeszyty i dokumenty, gdy zmarła i opublikował, „Rosalind Franklin and the Discovery of the Structure of DNA” przegląd jej zeszytów i dokumentów po opublikowaniu książki Watsons. Franklin i Gosling opublikowali pięć prac na temat struktury DNA, dwie pierwsze wysłano do prasy, zanim Franklin dowiedział się o modelu Watsona-Cricka. Prace te były bardzo technicznymi pracami zajmującymi się krystalografią rentgenowską, przez co nie cieszyły się większym zainteresowaniem.

struktura DNA Watsona i Cricksa pozostaje w dużej mierze akceptowana przez naukowców w XXI wieku. Trójwymiarowa struktura DNA Watson i Crick zaproponowali nazwanie DNA formą B, terminologię Franklin ukuł, gdy po raz pierwszy zebrała wzory dyfrakcyjne tej formy DNA. Dna w formie B jest najbardziej stabilną konformacją DNA w warunkach fizjologicznych, chociaż DNA może przyjmować inne trójwymiarowe potwierdzenia w zależności od jego sekwencji bazowej i otaczającego środowiska. Przez następne siedem lat po publikacji w 1953 roku „a Structure of Deoxyribonucleic Acid” Wilkins i jego zespół badawczy uzyskali obrazy dyfrakcyjne rentgenowskie B z dna różnych gatunków o wyższej rozdzielczości. Z obrazów o wyższej jakości Wilkins dokonał niewielkich korekt wymiarów struktury DNA Watsona i Cricksa.

„”struktura kwasu nukleinowego Deoksyrybozy” miała natychmiastowy wpływ zarówno na badania DNA jako materiału genetycznego, jak i na dziedzinę biologii molekularnej. Artykuł Watsona i Cricksa przesunął naukowców od pytania o strukturę DNA do pytania o funkcjonowanie DNA. Później, w 1953 roku, Watson i Crick napisali drugą pracę, „Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid”, która dotyczyła tego, w jaki sposób DNA może się replikować, aby przekazać kodowaną w nim informację genetyczną.