7. Geny, białka i DNA

      Francis Crick: „Podczas gdy stale podkreśla się najważniejszą i niepowtarzalną rolę białek, zdaje się, że geny robią niewiele więcej”.

      LINIA CZASU

      1869

      Friedrich Miescher (1844–1895) odkrywa DNA

      1896

      Archibald Garrod (1857–1936) rozpoczyna badanie podłoża alkaptonurii

      1941

      George Beadle (1903–1989) i Edward Tatum (1909–1975) potwierdzają, że geny tworzą białka i proponują hipotezę jeden gen – jedno białko

      1944

      Oswald Avery (1877–1955), Maclyn McCarty (1911–2005) i Colin MacLeod (1909–1972) wykazują, że DNA zawiera informację genetyczną

      1952

      Alfred Hershey (1908–1977) i Martha Chase (1927–2003) wykorzystują znakowanie radioaktywne, aby wykazać genetyczną rolę DNA

      Oddawanie moczu, który ciemnieje na powietrzu, musi być stresujące, jednak schorzenie, które to powoduje, nie było zbyt dokładnie badane przez lata, gdyż jest w dużej mierze nieszkodliwe. W latach 90. XIX wieku przykuło uwagę Archibalda Garroda, angielskiego lekarza. Niedługo po ponownym odkryciu prac Mendla Garrod zauważył, że choroba zachowywała się zgodnie z mendlowskim wzorem dziedziczenia. Zidentyfikował nie tylko jedną z pierwszych chorób, w których potwierdzono podłoże genetyczne, ale także regułę panującą w całej genetyce, że geny działają przez wytwarzanie białek.

      Choć alkaptonuria jest rzadka, dotyka 1 na 200 000 ludzi, Garrod zauważył, że była znacznie częstsza u potomstwa małżeństw będących kuzynami pierwszego stopnia i że w rodzinach ryzyka stosunek zdrowych do chorych wynosił niemal dokładnie 3 do 1. Zdał sobie sprawę, że dokładnie tego można oczekiwać, jeśli alkaptonuria byłaby powodowana przez gen recesywny, a nie przez infekcję, jak powszechnie uważano.

      Znajomość biochemii doprowadziła Garroda do wyjaśnienia funkcji tego genu. Ciemnienie moczu chorych na alkaptonurię powoduje substancja zwana kwasem homogentyzynowym, który zwykle rozpada się w organizmie. Garrod podejrzewał, prawidłowo zresztą, że pacjentom z tym schorzeniem brakowało enzymu (białka katalizującego reakcje chemiczne) niezbędnego do jego eliminacji. Dlatego związek ten był wydzielany w moczu, powodując jego ciemnienie.

      Jeden gen, jedno białko Garrod z tych obserwacji wydedukował, że funkcją genu jest wytwarzanie białek. Wiele innych schorzeń mogłoby być powodowanych przez podobne, jak je nazwał w tytule książki z 1909 roku, „wrodzone błędy metabolizmu”. Było to bardzo istotne spostrzeżenie, bo sugerowało sposób, w jaki geny i mutacje genetyczne mogłyby wpływać na biologię. Prawdopodobnie jednak, z powodu braku zainteresowania chorobą przez niego badaną, teorie Garroda, podobnie jak Mendla, pozostały niezauważone przez dziesięciolecia.

      Brakowało im także bezpośrednich dowodów, których dostarczyli w latach 40. XX wieku George Bedle – inny uczeń T.H. Morgana – i amerykański genetyk Edward Tatum. Prace Beadle’a nad muszką owocową sugerowały, że kolor oczu może być uzyskiwany dzięki reakcjom chemicznym przebiegającym pod kontrolą genów, ale ten organizm był zbyt złożony, aby dało się to udowodnić doświadczalnie. Beadle i Tatum sięgnęli więc po prostego pleśniaka Neurospora crassa, którego napromieniowano, aby uzyskać mutanty.

      Po skrzyżowaniu mutantów z normalnymi pleśniakami część ich potomstwa rosła normalnie, a część dzieliła się jedynie wtedy, gdy do pożywki hodowlanej dodano specyficznego aminokwasu – argininy. Te pleśniaki odziedziczyły mutację w genie niezbędnym do wytwarzania argininy. I dopóki z zewnątrz nie dostarczono tego niezbędnego aminokwasu, grzyby nie mogły rosnąć.

      Życie na Marsie?

      Jeśli kiedykolwiek na Marsie – czy gdziekolwiek indziej, jeśli chodzi o ścisłość – zostanie odkryte prymitywne życie, pierwszym pytaniem zadanym przez naukowców będzie: „Czy jest oparte na DNA?” Genetyczne instrukcje wszystkich ziemskich organizmów są zapisane w DNA (z wyjątkiem pewnych wirusów RNA, które i tak nie mogą się rozmnażać bez udziału gospodarza, który ma DNA). Daje to przejmująco dobry argument, że wszystkie pochodzą od wspólnego przodka. Jeśli pozaziemskie życie także wykorzystuje DNA, podobna implikacja jest wciąż prawdziwa. Może Mars został zasiedlony przez mikroorganizmy zawleczone z Ziemi na meteorycie. A może prawdziwe jest stwierdzenie odwrotne i my w rzeczywistości jesteśmy Marsjanami.

      To sugerowało prostą regułę: każdy gen zawiera instrukcję tworzenia jakiegoś enzymu i ten enzym następnie działa w komórce. Mimo że reguła od tamtego czasu została zmodyfikowana – pewne geny mają zdolność wytwarzania więcej niż jednego enzymu lub mniejszego składnika komórki – jest w zasadzie poprawna. Geny nie kierują bezpośrednio chemią komórkową, ale działają poprzez białka, które wytwarzają lub których nie są w stanie wytworzyć z powodu mutacji.

      Jest to spostrzeżenie, które miało swe implikacje w medycynie. Podczas gdy zmiana defektywnego genu powodującego chorobę jest trudna, niektóre schorzenia genetyczne można leczyć bardziej bezpośrednio przez zastąpienie brakującego białka. Na przykład chorzy na hemofilię mogą przyjmować enzym odpowiedzialny za krzepnięcie krwi, którego ich organizm nie jest w stanie sam wytworzyć.

      Nadejście ery DNA Odkrycie, że geny zawierają instrukcję tworzenia białek, było poważnym wyzwaniem dla konwencjonalnego pojmowania ich budowy, gdyż powszechnie uważano, że geny są białkami. Jeśli białka rzeczywiście były wytworem genów, to chemiczne podłoże dziedziczności musiało być inne. Znaleziono je w tajemniczej substancji, po raz pierwszy oczyszczonej z nasączonych ropą bandaży przez szwajcarskiego uczonego Friedricha Mieschera w 1869 roku: kwasie deoksyrybonukleinowym, czyli DNA.

      Wiedziano, że DNA jest prawie w każdym rodzaju komórek i Miescher podejrzewał, że może odgrywać rolę w dziedziczeniu. Do potwierdzenia tych przypuszczeń doprowadził cykl eksperymentów zapoczątkowanych w roku 1928 przez Frederica Griffitha, który interesował się bakterią powodującą zapalenie płuc istniejącą w dwóch postaciach: powodującej śmierć i całkiem niegroźnej. Gdy naukowcy wstrzyknęli myszy nieszkodliwe bakterie i wcześniej zinaktywowane