DNA – gener og arvemateriale
DNA bærer den genetiske koden vår, det tok nesten 100 år å erkjenne. I 1953 kunne forskere endelig beskrive DNAets struktur og selv om det er en av biologiens største oppdagelser er det fremdeles en gåte hvordan arvematerialet omgjøres til komplisert liv.
Mens munken Gregor Mendel (1822-1884) på 1850-tallet beskrev lovene for arvelighet i det daværende Østerrike-Ungarn, oppdaget den sveitsiske biologen Johannes Friedrich Miescher (1844-1895) et fosforrikt stoff i hvite blodceller. Her startet utforskningen av hvordan våre arvelige egenskaper lagres og kopieres.
Meischer forsket ved universitetet i Tübingen på slutten av 1860-tallet og den unge vitenskapsmannen hadde satt seg fore å forstå den kjemiske basisen for biologisk liv. I den forbindelse var det naturlig at han startet med å undersøke cellekjernens byggesteiner.
Til denne ambisiøse oppgaven bestemte Meischner seg for å bruke hvite blodceller fordi disse cellene har spesielt store kjerner, og fordi de hvite blodcellene var lette å få tak i fra sårpuss i bandasjer på det lokale sykehuset. I 1868 navnga Miescher det fosforrike stoffet nuclein, fordi det bare fantes i cellekjernen (av latin nucleus). Det skulle senere vise seg at nuclein er DNA, arvematerialet vårt (deoxyribonukleinsyre).
Påvisningen av DNA som arvemateriale og beskrivelsen av DNAs struktur tok imidlertid knapt hundre år, men det er en av de helt store naturvitenskapelige bedriftene i det 20. århundret. Oppdagelsen av DNAets struktur representerer dessuten starten på det forskningsfeltet vi i dag kjenner som molekylærbiologien.
I 1910 mottok den tyske biokjemikeren Albrecht Kossel (1853-1927) Nobelprisen for oppdagelsen av at nuclein består av fire baser: adenin, cytosin, guanin og thymin (A, C, G og T). Man visste enda ikke at nuclein faktisk var arvematerialet og inntil 2. Verdenskrig mente de fleste at arvematerialet måtte være et protein, ikke en base, i cellekjernen. Man kjente den gang ikke til andre ting enn proteiner som var så komplekse at de kunne inneholde informasjon om levende organismers enorme mangfoldighet.
Et skritt nærmere kom den engelske mikrobiologen Frederick Griffith (1879-1941) da han i 1944 påviste at det finnes et fysisk stoff som inneholder den arvelige informasjonen. Han gjorde denne viktige oppdagelsen med å undersøke hvordan bakterier overførte en aggressiv og dødelig lungebetennelse til mus. Ikke overraskende døde musene når de fikk sprøytet den levende bakterien inn i seg. Men forbausende nok fant Griffith at musene også døde hvis han sprøytet inn kokte, altså døde, bakterier sammen med levende harmløse bakterier.
Det måtte være noe i avkoket som kunne omdanne den harmløse bakterien til en aggressiv morder – nemlig et fysisk stoff, som inneholdt de farlige bakterienes arvemateriale. Senere utførte den nordamerikanske legen Oswald T. Avery (1877-1955) og medarbeiderne hans en systematisk undersøkelse hvor de ødela bakterienes forskjellige komponenter en etter en. I 1944 kunne de fastslå at det stoffet som overførte den dødelige effekten var DNA. DNA, fastslo de, er det molekylet som inneholder arvematerialet.
Det sto klart at DNA bærer all vår genetiske informasjon og at det er det molekylet som overfører den biologiske informasjonen fra en generasjon til den neste. Man kunne fremdeles ikke beskrive DNAs struktur, og da mange forskningsgrupper var klar over viktigheten av dette molekylet startet det nå et intenst kappløp blant en rekke veletablerte forskningsgrupper. Kappløpet kom til å vare i flere år og ble vunnet av den engelske fysikeren Francis Crick (1916-2004) og den amerikanske biokjemikeren James Watson (1928-) som arbeidet sammen med Cambridge University.
At det nettopp skulle være disse to forskerne som løste DNAets gåte kom som en overraskelse fordi de begge var ubeskrevne blader i vitenskapen. Francis Crick (1916-2004) var fysiker og hadde aldri avsluttet ph.d.-graden sin, men var i 1949 kommet til Cambridge for å studere proteinenes struktur hos Nobel-prisvinnernen Max Perutz (1914-2002). Den unge Watson var nettopp ankommet fra København hvor han hadde arbeidet med den danske biokjemikeren Herman Kalckar (1908-1991), imidlertid uten å oppnå store resultater.
Til å undersøke DNAs struktur brukte Crick og Watson røntgenbilder som andre forskere hadde produsert. Inspirert av biokjemikeren Linus Paulings (1901-1994) samtidige suksess, da han beskrev proteiners struktur, begynte Crick og Watson også å bygge fysiske modeller av DNA-molekylet.
I november 1951 kunne de unge forskerne ringe til kolleger og konkurrenter for å fortelle at de hadde løst mysteriet om DNAets struktur. Til deres store skuffelse kunne kollegaen og biofysikeren Rosalind Franklin (1920-1958) imidlertid innen få minutter påpeke ødeleggende uoverensstemmelser med røntgenkrystallografien. Deres overordnede nedla nå forbud mot å fortsette modellbyggingen. Watson og Crick ble flyttet over på andre prosjekter, men ga imidlertid ikke opp interessen for DNA.
Tidlig på året i 1953 publiserte Pauling en løsning på en struktur for DNA som bygget på tre sammensnodde kjeder. Nyheten om DNA-gåtens løsning kom som en stor skuffelse hos de engelske gruppene, men Watson var likevel overbevist om at modellen ikke var riktig. Han og Crick undersøkte saken hos kolleger i London og så Franklins nye krystallbilder av DNAets såkalte B-form.
Her viste samarbeidet deres seg fra sin beste side. Crick regnet raskt ut at DNA måtte være en heliks, og med god biologisk intuisjon mente Watson at en dobbel heliks ville være mer plausibel enn Paulings tredoble heliks. Crick og Watson skyndte seg tilbake til Cambridge for å bygge nye modeller, de kunne ikke engang vente på at universitetets verksted kunne levere delene og måtte derfor nøye seg med pappmodeller for de enkelte komponentene.
Dessverre var det feil i den kjemilæreboken Watson og Crick benyttet til å forutsi de kjemiske bindingene og først etter en rekke mislykkede forsøk kunne de om morgenen 28. februar 1953 presentere DNAs struktur som en dobbeltheliks. Den doble heliksen er to komplimentære og sammensnodde kjeder som bindes sammen av kjemiske bindinger av adenin med thymin og cytocin med guanin. Nærmest som en vridd stige hvor trinnene er bindingene mellom nukleotidene.
I etterpåklokskapen klare lys gir denne relativt enkle strukturen god biologisk mening fordi de to kjedene kan gå fra hverandre som en glidelås og dermed la seg kopiere til komplimentære kopier. Det var dermed med nesten overdreven engelsk underdrivelse at Watson og Crick mindre enn to måneder etter oppdagelsen deres kunne avslutte artikkelen deres i Nature med setningen: «”It has not escaped our notice that the specific pairing that we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.»
Med påvisningen av den doble heliksen lå det nå et enormt arbeid fremfor forskere i å undersøke hvordan informasjonen i DNA først oversettes til RNA og deretter til protein. Det er det såkalt sentrale dogme i molekylærbiologien. Dette tok et par tiår og skjedde fortsatt under enorm innflytelse fra Watson og Crick. Watson ble til og med satt i ledelsen for det humane genomprosjektet som i 2003 resulterte i en fullstendig beskrivelse av DNA-sekvensene for menneskets omtrent 25.000 gener.
Beskrivelsen av det humane genomet beskrives ofte som en like stor vitenskapelig prestasjon som da de første astronautene landet på månen i 1969. På samme måte som med månelandingen medførte beskrivelsen av det humane genomet også at det ble utviklet en rekke nye og mye mer effektive metoder i molekylærbiologien, og spesielt de siste par år har det blitt mye lettere å beskrive DNA-sekvenser hos alle mulige organismer og mennesker med spesifike sykdommer.
Det har enorm betydning både i biologien og i legevitenskapen. I biologien er DNA-sekvensen i genomet blitt den beste måten å bestemme slektskapet mellom dyre- og plantegrupper, og molekylærbiologien spiller dermed en helt sentral rolle i den moderne evolusjonsbiologien. I legevitenskapen er det nå mulig å bruke DNA-sekvensen for den enkelte pasienten til å designe den best egnede kliniske behandlingen, og man bruker allerede DNA-analyser til å identifisere spesifike sykdommer og til å utrede risikoen for å utvikle særlige sykdommer som f.eks. brystkreft.
I de siste årene har CRISPR dukket opp som en metode for å endre gener og arveegenskaper. CRISPR kan brukes til å reparere et gen som har en mangelfull bestanddel, for eksempel et enzym eller en reseptor, eller endre kode som bare antyder en risiko, og forventes å kunne endre menneskers utvikling drastisk.