Embryo Project Encyclopedia

i April 1953 publicerade James Watson och Francis Crick ”Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure of Deoxyribose Nucleic Acid” eller ”en struktur för Deoxyribose Nucleic Acid”, i tidskriften Nature. I artikeln föreslår Watson och Crick en ny struktur för deoxiribonukleinsyra eller DNA. 1944, Oswald T. Avery och hans grupp vid Rockefeller University i New York City, New York publicerade experimentella bevis för att DNA innehöll de biologiska faktorerna som kallas gener som dikterar hur organismer växer och utvecklas. Forskarna visste inte hur DNA-funktionen ledde till överföring av genetisk information från cell till cell, eller organism till organism. Modellen som Watson och Crick presenterade kopplade begreppet gener till ärftlighet, tillväxt och utveckling. Från och med 2018 accepterar de flesta forskare Watson och Cricks modell av DNA som presenteras i artikeln. För sitt arbete med DNA delade Watson och Crick 1962 Nobelpriset i fysiologi eller medicin med Maurice Wilkins.

samarbetet som ledde Watson och Crick att skriva ”en struktur av deoxiribos nukleinsyra” började i oktober 1951 strax efter att Watson anlände till Cavendish Laboratory vid University of Cambridge i Cambridge, England. Vid den tiden var Watson en tjugotreårig postdoktoral forskare från USA och Crick, vid en ålder av trettiofem, var doktorand vid University of Cambridge. Watson och Crick började studera DNA-strukturen tillsammans strax efter att Watson anlände till Cavendish Laboratory. De åt ofta lunch tillsammans och diskuterade sitt arbete och andras arbete i laboratoriet. Så småningom gav ledande medlemmar i laboratoriet Watson och Crick ett kontor att dela.

1944 publicerade Averys group vid Rockefeller University Hospital en artikel som gav experimentella bevis för att DNA innehöll gener. Årtionden före publiceringen av Watson och Cricks artikel fann forskare bevis på byggstenarna i DNA som kallas nukleotider. Nukleotider består av tre delar. Den mellersta delen av nukleotiden är ett deoxiribossocker fäst vid ena sidan av deoxiribosen är en negativt laddad fosfatgrupp bestående av fosfor och syre och på motsatt sida av deoxiribosen är en av fyra kvävebaser, som varierar mellan nukleotider. Forskare hade publicerat strukturen för de fyra baserna i DNA: adenin, tymin, guanin och cytosin. Adenin och guanin är gjorda av två smälta ringar och kallas puriner. Cytosin och tymin är enkla ringstrukturer som kallas pyrimidiner.

när Watson och Crick skrev sin artikel förlitade de sig på resultaten av röntgenkristallografiexperiment. För att genomföra röntgenkristallografi skjuter forskare en röntgenstråle, som är elektromagnetiska vågor med hög energi vid en kristall. När strålen träffar kristallen sprids röntgenstrålarna på ett sätt som beror på de tredimensionella arrangemangen för atomerna i den kristallen. Experimentet resulterar i en bild, kallad ett diffraktionsmönster, vilka forskare använder för att bestämma den tredimensionella strukturen hos kristallen de observerar. Under åren fram till publiceringen av artikeln använde forskare röntgenkristallografi för att lära sig om DNA: s tredimensionella struktur. Medan Watson och Crick aldrig utförde röntgenkristallografiexperiment själva, använde de data från experiment utförda av andra forskare för att utveckla sin modell av DNA.

Watson och Crick föreslog en ny modell för den tredimensionella strukturen av DNA. Artikeln bestod av mindre än två sidor och hade en illustration. För att börja papperet svarar Watson och Crick på en annan DNA-modell som föreslagits av Linus Pauling och Robert Corey, två forskare vid California Institute of Technology i Pasadena, Kalifornien. Pauling och Corey föreslog en alternativ modell bara några månader innan Watson och Crick skrev sin artikel.

Watson och Crick börjar sin artikel genom att diskutera den alternativa modellen som föreslagits av Pauling och Corey. Även om det inte beskrivs i detalj av Watson och Crick, var Pauling-Corey-modellen av DNA en trippelhelix, där var och en av de tre spiralformade strängarna innehöll nukleotider spända ihop. I Pauling-Corey-modellen mötte de negativt laddade fosfatgrupperna inuti trippelhelixen och baserna mötte utanför trippelhelixen. I sin artikel kritiserar Watson och Crick Pauling-Corey-modellen. Först hävdar de att DNA-baserna inte kan vända utåt med fosfatgrupperna vända inåt. Watson och Crick hävdar att DNA-strängarna binder samman genom baserna, så om baserna möter utåt, skulle det inte finnas något som förbinder DNA-strängarna. Författarna hävdade också att om de negativt laddade fosfatbackbonesna i DNA-strängarna inför inåt skulle de avvisa varandra. Dessutom skulle arrangemanget av atomer i Pauling-Corey-strukturen avvisa varandra. Det avslutar Watson och Cricks kritik av Pauling-Corey-modellen i deras papper.

Watson och Crick fortsätter med en beskrivning av deras föreslagna DNA-struktur och ett diagram för att följa deras förslag. De definierar sin struktur som en dubbel spiral, med två spiralformade kedjor lindade runt en teoretisk axel. Enligt Watson och Crick löper DNA-strängarna antiparallellt med varandra. Det betyder att trådarna går i motsatta riktningar. Nukleotider är inte helt symmetriska molekyler. De har en topp och en botten. Så när DNA-strängarna löper antiparallellt som Watson och Crick beskriver, har en sträng nukleotiderna vända mot höger sida uppåt och den andra strängen har nukleotiderna vända upp och ner.

Watson och Crick vidare beskrivningen av deras struktur genom att jämföra den med en modell av en kedja av nukleinsyror som föreslagits av Sven Furberg, en kristallograf vid Birbeck College, i London, Storbritannien, 1952. Watson och Crick säger att precis som Furbergs modell har deras modell av DNA baserna vända inuti den dubbla spiralen och fosfatryggbenen vända utanför den dubbla spiralen. På samma sätt som Furbergs struktur förklarar Watson och Crick att baserna är vinkelräta mot deoxiribosringarna och fosfatgrupperna i nukleotiderna. Med andra ord är baserna som stegpinnar och deoxiribos socker-och fosfatgrupperna är som stegens skenor. Efter att ha beskrivit några återstående detaljer om deras struktur avslutar Watson och Crick sin allmänna beskrivning av deras DNA-modell.

Watson och Crick diskuterar sedan de nya funktionerna som hänför sig till deras DNA-modell. Den första funktionen som författarna diskuterar är hur de två DNA-strängarna är anslutna. Författarna uppger att en enda bas från en DNA-sträng fäster vid en enda bas från motsatt DNA-sträng via vätebindningar. I DNA uppstår vätebindningar mellan väteatomer och syre-eller kväveatomer. Medan vätebindningar är svagare än fosfatbindningarna som förbinder nukleotider tillsammans i varje DNA-sträng, är de tillräckligt starka för att hålla de två spiralformade strängarna ihop. Watson och Crick förklarar att för att tillräcklig vätebindning ska inträffa, inom varje par anslutna baser, måste en bas vara en purin, en dubbelring och en bas måste vara en pyrimidin, en enda ring.

därefter beskriver Watson och Crick den specifika identiteten för varje bas i ett baspar. Författarna antar att var och en av de fyra baserna bara kan para ihop med en annan typ av bas. Adenin, en purin, kan bara para med tymin, en pyrimidin. Guanin, en purin, kan bara para med cytosin, en pyrimidin. Baserat på den logiken förklarar Watson och Crick att sekvensen av baser längs en DNA-sträng automatiskt bestämmer sekvensen för den andra strängen. Varje bas längs en DNA-strängpar med sin enda livskraftiga motsvarighet på motsatt sträng. För att stödja deras påstående om specifik basparing citerar Watson och Crick experimentella bevis. Erwin Chargaff vid Columbia University i New York City, New York fick det beviset. Författarna förklarar att Chargaff bestämde att i DNA är förhållandet mellan adenin och tymin och guanin till cytosin alltid ungefär en-till-en. Det betyder att mängden adenin i DNA ungefär motsvarar mängden tymin, och mängden guanin är ungefär lika med mängden cytosin, vilket är det troliga fallet om basparning i DNA är specifik.

efter diskussionen om basparning avslutar Watson och Crick med röntgenkristallografi bevis för att de brukade generera sin modell av DNA. Watson och Crick erkänner att röntgenkristallografiska bevis på DNA som publicerades innan de skrev sin artikel inte kunde bekräfta sin modell ensam och det behöver mer experimentella bevis för att bevisa sin modell. Watson och Crick postulerar sedan att basparningsmekanismen de föreslog innebar en möjlig DNA-replikeringsmekanism, även om de inte beskriver den mekanismen. Författarna avslutar sedan sin artikel med bekräftelser.

när de utvecklade sin modell av DNA, förlitade sig Watson och Crick på opublicerade röntgenkristallografiska experimentella data. Forskare vid Kings College London i London, Storbritannien, samlade in dessa uppgifter. Rosalind Franklin, en kemist, och hennes doktorand, Raymond Gosling, samlade in uppgifterna. Watson och Crick erkände dessa individer i sitt papper. Från 1951 till 1953 samlade Franklin och Gosling röntgendiffraktionsmönsterbilder av DNA, som de fick från röntgenstrålarna av DNA-kristaller. När Watson och Crick skrev” en struktur för deoxiribos nukleinsyra ” hade Franklin och Gosling inte publicerat sina mest tydliga DNA-diffraktionsbilder, trots att bilderna hade förbättringar jämfört med de publicerade uppgifterna vid den tiden. I början av 1953, utan Franklins kunskap, Maurice Wilkins en medarbetare vid Kings College visade Watson en av Franklins tydliga diffraktionsmönster av DNA. Senare fick Watson och Crick en rapport som Franklin skrev om sina experimentella fynd. Den rapporten innehöll data Franklin presenterade vid ett kollokvium vid Kings College 1951. När de utvecklade sin egen modell av DNA drog Watson och Crick slutsatser från data som finns i både Franklins diffraktionsbild och hennes rapport.

1962 delade Watson och Crick Nobelpriset i fysiologi eller medicin med Wilkins för deras resultat relaterade till DNA-strukturen och dess roll i genetik, varav många dök upp i ”en struktur för deoxiribos nukleinsyra.”Franklin dog 1958 före tilldelningen av Nobelpriset 1962 och fick inte Nobelpriset, Nobelpriset tilldelas aldrig postumt. Vissa människor spekulerar i att om hon levde skulle hon få det för sitt bidrag till att lösa DNA-strukturen. Andra trodde inte att hon gjorde avgörande bidrag till lösningen av DNA-strukturen. Rollen Franklin spelade i upptäckten av strukturen först insåg efter publiceringen av Watsons bok The Double Helix: a Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA 1968. Aaron Klug, Franklins sista doktorand och kollega vid Birkbeck College, i London, ärvde sina anteckningsböcker och papper när hon dog och publicerade, ”Rosalind Franklin och upptäckten av DNA-strukturen” en recension av hennes anteckningsböcker och papper efter publicering av Watsons bok. Franklin och Gosling publicerade fem artiklar om DNA-struktur de två första som skickades för att trycka innan Franklin kände till Watson-Crick-modellen. Dessa papper var mycket tekniska papper som handlade om röntgenkristallografi, varför de inte fick mer uppmärksamhet.

Watson och Cricks struktur av DNA har fortfarande i stor utsträckning accepterats bland forskare genom det tjugoförsta århundradet. Den tredimensionella strukturen av DNA Watson och Crick föreslog kallas B-formen DNA, terminologi Franklin myntade när hon först samlade diffraktionsmönster av denna form av DNA. B-formen DNA är den mest stabila konformationen av DNA under fysiologiska förhållanden, även om DNA kan anta andra tredimensionella bekräftelser beroende på dess bassekvens och dess omgivande miljö. Under de kommande sju åren efter 1953-publiceringen av ”en struktur av deoxiribonukleinsyra” erhöll Wilkins och hans forskargrupp röntgendiffraktionsbilder med högre upplösning av B-form DNA från en mängd olika arter. Från bilder av högre kvalitet gjorde Wilkins små justeringar av dimensionerna av Watson och Cricks DNA-struktur.

””en struktur av deoxiribos nukleinsyra” hade omedelbara effekter på både studien av DNA som genetiskt material och fältet molekylärbiologi. Watson och Cricks artikel skiftade forskare bort från frågan om hur DNA strukturerades och mot frågan om hur DNA fungerade. Senare 1953 skrev Watson och Crick ett andra papper, ”Genetical implikationer av strukturen av deoxiribonukleinsyra”, som behandlade hur DNA kan självreplikera för att vidarebefordra den genetiska informationen som kodas inom den.