Noua eră
1953: Stalin moare la Moscova, Edmund Hillary și Tenzing Norgay urcă pe Everest, Elisabeta a II-a este încoronată, răscoala din iunie din RDG este suprimată sângeros, prima ediție a „Playboy” apare în Germania. Între timp, biologul american James Watson și fizicianul britanic Francis Crick lucrează cu modele ADN în Cambridge, Marea Britanie, neobservate de public. În februarie, Crick a anunțat cu voce tare în cârciuma sa locală, Eagle, că au descoperit secretul vieții: ADN, purtătorul materialului genetic, este o spirală dublă, în sensul acelor de ceasornic, o helică dublă. Cei doi cercetători au inaugurat era enorm de reușită a biologiei moleculare, al cărei ultim punct culminant a fost sărbătorit public acum trei ani de Bill Clinton și Tony Blair împreună cu cercetătorii genomului: descifrarea celor trei miliarde de litere biochimice ale genomului uman.
La mijlocul secolului trecut exista deja convingerea că genele sunt elementele care poartă proprietățile moștenite ale vieții. Dar altfel a existat „ignoranță fără fund”, așa cum a scris geneticianul Hermann Joseph Muller în 1950. Ce este o genă, din ce este făcută? Au existat dovezi că genele sunt localizate în cromozomi. Cromozomii sunt compuși din ADN și proteine. La început, majoritatea biologilor și biochimiștilor au căutat genele într-un loc greșit: în varietatea proteinelor. Pentru că nu au putut explica cum o moleculă la fel de simplă ca ADN - care constă doar din fosfat, zahăr dezoxiriboză și cele patru baze adenină, citozină, guanină și timină - adăpostește marele secret al eredității, baza întregii diversități a vieții ar trebui să fie.
Pe această bază, Watson și Crick au dezvoltat o structură care se potrivea fără contradicție cu toate datele cunoscute: o helică dublă dreaptă cu un diametru de două milionimi de milimetru, baze interioare și un lanț exterior fosfat-zahăr. Pentru o lungă perioadă de timp, oamenii de știință nu au putut dovedi decât dubla helică indirect. Abia când a fost posibilă sintetizarea și cristalizarea unor bucăți scurte de ADN cu orice secvență de bază dorită și efectuarea analizelor de raze X ale acestor cristale, s-au găsit dovezi irefutabile ale dublei spirale la începutul anilor 1980 - la mai mult de un sfert de secol după primul model.
Proprietatea remarcabilă a dublei spirale constă în asocierea bazelor lor. Adenina și timina, precum și citozina și guanina, sunt opuse una față de cealaltă și se mențin pe loc prin intermediul atomilor de hidrogen. Dacă separați cele două fire ale helixului, bazele respectivului fir arată cum ar trebui să arate firul opus al helixului dublu. Numai acest principiu, potrivit căruia fiecare fir ADN este forma negativă a firului partener, permite copierea structurii fără ca aceasta să fie distrusă sau pierderea informațiilor. Watson și Crick au recunoscut deja asta. „Nu ne-a scăpat atenția că perechea specifică pe care am postulat-o implică un posibil mecanism de copiere a materialului genetic”, au scris ei - probabil cea mai mare subevaluare în stil britanic din istoria științei.
Cu toate acestea, cei doi cercetători nu au putut furniza dovezi ale mecanismului de copiere. Acest lucru a fost rezervat lui Matthew Meselson și Franklin Stahl cu „cel mai frumos experiment biologic”, așa cum a comentat laureatul Premiului Nobel de anul trecut Sydney Brenner. În 1957, cei doi biologi au demonstrat că helica dublă se deschide ca un fermoar în timpul replicării. Fiecare dintre cele două catene de ADN rămâne intactă și servește drept șablon pentru sinteza unei noi catene de ADN complementare. Acest lucru creează două spirale duble, fiecare constând dintr-un fir ADN vechi și unul nou produs. Când celulele se împart, fiecare celulă fiică primește o astfel de dublă helix mixtă și nu există, așa cum s-ar fi putut presupune, o dublă helică ADN complet nouă în celula fiică și o moleculă veche în celula părinte.
Astăzi este dificil să ne imaginăm că cercetătorii s-au îndoit mult timp de această ingenioasă invenție a naturii. Și asta doar pentru că nu au putut explica modul în care dubla helix reușește să se relaxeze pentru procesul de dublare - o realizare pe care o întreagă companie de proteine diferite o realizează, așa cum au descoperit cercetătorii mai târziu. După 1953, biologia moleculară a decolat într-un ritm rapid. La început, cercetătorii s-au întrebat cum informațiile stocate în ADN-ul nucleului celular pot fi transformate într-o proteină - un proces care are loc în afara nucleului celular. Și s-au întrebat cum pot fi codificate elementele de bază ale proteinelor, aminoacizii, în secvența de bază a ADN-ului. În plus: Cum ar trebui să arate instrucțiunile de construcție pentru proteine - genele - unde ar trebui să înceapă, unde ar trebui să fie sfârșitul lor? Genele stocate în ADN se suprapun sau una după alta? Întrebare după întrebare - și totuși aproape toate au fost rezolvate în mai puțin de zece ani de biologie moleculară. Cercetătorii au identificat
• ARN mesager, planul ADN-ului, care migrează din nucleul celulei în fluidul celular și este folosit acolo ca manual de construcție pentru sinteza proteinelor,
• ARNt (ARN de transfer), care furnizează aminoacizii necesari pentru producerea de proteine și
Încă din 1954, fizicianul rus George Gamow a postulat că ADN-ul trebuie să aibă un cod. Împreună cu Francis Crick, a dezvoltat ideea că combinațiile a trei baze fiecare ar putea reprezenta un aminoacid. Deci 43, sau 64 de combinații diferite de trei, așa-numiții codoni au fost posibili. În cele din urmă, în 1965, se cunoaște semnificația tuturor codonilor. Niciunul nu este folosit:
• 60 de codoni programează aminoacizi, unii aminoacizi fiind codificați de mai mulți codoni, alții doar de unul singur.
• Restul de 4 codoni s-au dovedit a fi un semnal de pornire și trei de oprire, care indică începutul și sfârșitul unei gene.
Pe baza noilor lor date, oamenii de știință au formulat în curând o teză care este încă în prezent ca „dogma centrală a geneticii” în manuale: „O genă face un ARN mesager, un ARN mesager face o proteină.” Dar această idee a fost adevărată prea ușor, așa cum sa dovedit de-a lungul anilor. Cercetătorii au descoperit o serie de curiozități, în special în genomul organismelor superioare:
• gene care sar în jurul genomului, • gene care se repetă de două ori și
• Genele ale căror părți de codificare - numite exoni de către cercetători - sunt întrerupte în mod repetat de secvențe necodificate - intronii. Deși întreaga secvență genetică produce un ARN mesager de la început până la sfârșit, intronii sunt tăiați din el.
Oamenii de știință mai aveau încă un drum lung de parcurs înainte de a ajunge la aceste descoperiri, care au început la sfârșitul anilor 1960 cu descoperirea enzimelor de restricție de către elvețianul Werner Arber. Aceste enzime funcționează ca foarfece moleculare ADN. Ei recunosc anumite secvențe de ADN și le împart în acest moment. Cu ajutorul acestor enzime, a fost posibil să taiem ADN-ul într-o manieră țintită, să-l recombinăm, să-l introducem în bacterii și să vedem cum reacționează microbii la acesta. Proprietățile organismelor deveniseră manipulabile, devenind posibilă ingineria genetică.
În ultimii 20 de ani, un lucru incredibil s-a întâmplat prin cercetarea ADN: oamenii de știință nu numai că au învățat să producă bacterii modificate genetic, dar au creat și noi plante și animale cu gene modificate. Aceste organisme au ajutat la rezolvarea puzzle-urilor biologice și medicale și au devenit un factor economic major. În 1976, Genentech a devenit prima companie care trăiește din ingineria genetică - astăzi există mii de astfel de companii. Încă din 1977 Genentech a raportat că prima proteină umană a fost produsă acolo în bacterii: somatostatina, o proteină care inhibă hormonii de creștere. Era ingineriei genetice industriale începuse. Astăzi, insulina umană modificată genetic ajută sute de mii de diabetici în fiecare zi. Ingineria genetică și-a făcut loc și în agricultură. Deși discuția dacă culturile modificate genetic sunt inofensive din punct de vedere ecologic este încă intensă și legile restrictive în Europa restricționează comerțul cu astfel de plante și alimentele obținute din acestea, plantele de porumb, soia și rapiță modificate genetic cresc pe continentul american Milioane de hectare de teren arabil.
În cele din urmă, anii 1990 au fost momentul dezvoltării de noi tehnologii, automatizări, genomică și biologie moleculară medicală. Rapoartele genelor care cauzează boli ereditare sau care au legătură cu boli comune, cum ar fi diabetul, hipertensiunea arterială sau obezitatea, par să fie de-a dreptul inflaționiste. Până în prezent, aceste cunoștințe au fost utilizate în principal pentru metode de diagnostic mai bune, de exemplu pentru detectarea bolilor ereditare. Se așteaptă noi terapii în următoarele câteva decenii.
Acum zece ani, era încă ușor să umpleți mai multe teze de doctorat cu izolarea, secvențierea și analiza funcțională a unei singure gene. Astăzi, biocipurile pot fi folosite pentru a testa nu doar funcția unei gene, ci și a a mii de gene într-un experiment. Iar secvențierea întregului genom al microbilor durează doar câteva zile, datorită sistemelor automate și noilor programe. Este adevărat că secvențele genomului nu înțeleg în mod direct cum se dezvoltă un organism sau cum funcționează. Dar cunoașterea lor este încă foarte utilă. Când au fost comparate secvențele organismelor înrudite, s-a dovedit, de exemplu, că cursul evoluției poate fi citit din ele.
ADN-ul este o arhivă de rudenie: Asemănările și diferențele în informațiile genetice reflectă nu numai rudenia a doi indivizi, ci și cea a speciilor diferite. Încă din 1949, cercetătorul genetic Max Delbrück a prezis cu o previziune enormă: „Fiecare celulă vie poartă experiența experimentelor pe care strămoșii săi le-au făcut de-a lungul unui miliard de ani”.
„Calculul ADN-ului”, așa cum se numește în limba germană modernă, este complicat și sunt cu siguranță multe de făcut înainte ca mașinile de calcul ADN să fie dezvoltate. Dar chiar și procesele biologice elementare, cum ar fi replicarea ADN-ului și reglarea sintezei proteinelor, nu au fost explorate pe deplin. Chiar și structura cromozomilor noștri păstrează încă secrete.
La 50 de ani de la descoperirea sa, dubla helix este încă centrul atenției publice. În timp ce nenumărați aventurieri au fugit pe cel mai înalt munte de pe pământ, nu mai sunt supărați de Playboy și rareori își amintesc de Stalin sau Churchill, dubla helix este mai prezentă ca niciodată. Nu doar în știință, ci și în artă și economie și chiar în politică - cel puțin în Marea Britanie și SUA.
Cu toate acestea, politicienii germani nu sărbătoresc o aniversare ADN. Hans Lehrach nu este surprins: „Cercetătorii germani au descifrat o parte din genomul uman, dar când Clinton și Blair au anunțat public rezultatul acestui efort comun internațional, nici cancelarul german nu a fost acolo”.
• Acum cincizeci de ani, în Cambridge, Anglia, Francis Crick, James Watson, Rosalind Franklin și Maurice Wilkins au descoperit cum arată ADN-ul, cea mai mare moleculă din lume.
• Teoria dublei spirale ADN a fost inițial controversată, dar în curând a entuziasmat mulți oameni de știință.
• Odată cu decodarea structurii ADN, aprobarea a fost dată pentru biologia moleculară modernă și astfel pentru utilizarea comercială a informațiilor genetice.