نظام تخزين مرن وفعال

في مقال قصير في مجلة نيتشر العلمية، قدم الباحثان واتسون وكريك بنية الحمض النووي وغيرا ​​مسار تاريخ علم الوراثة

جلب النصف الثاني من القرن التاسع عشر معه الاعتراف بأن ظواهر الحياة يمكن فهمها من خلال الكيمياء. إحدى المجموعات البحثية التي ساهمت في ذلك كانت تلك التي ترأسها فيليكس هوبي زيلر في ألمانيا. وفي عام 19، اكتشف مساعده البحثي، السويسري فريدريش ميشر، في جامعة توبنغن مادة جديدة وغير معروفة يتم إنتاجها من نوى الخلايا الحية. حتى ذلك الحين كان من المقبول أن الكائنات الحية تتكون من البروتينات فقط. ووصف ميشر المادة الجديدة بأنها "غير مناسبة للانتماء إلى أي من الأشكال المعروفة للبروتين"، وأعطاها اسم "nuclein"، من كلمة nucleus - nucleus.

نال ميشر شهرة عالمية بسبب هذا الإنجاز - اكتشاف الحمض النووي، المادة الوراثية التي تصنع منها الكروموسومات. لكن التوصيف التفصيلي للمادة الجديدة تم بواسطة باحث آخر في نفس المختبر، ألبريشت كوسيل، بعد حوالي عشر سنوات. كان كوسيل هو الذي اكتشف أن النواة مبنية، من بين أشياء أخرى، من القواعد النيتروجينية الأربع، المعروفة اليوم بالأدينين (A)، والجوانين (G)، والسيتوزين (C)، والثايمين.
(ت). ولهذا السبب، فاز كوسيل بجائزة نوبل للطب عام 1910. وقد أعطى ريتشارد ألتمان، طالب ميشر، المادة الجديدة في وقت لاحق الاسم الذي تُعرف به اليوم - الأحماض النووية، في إشارة إلى حقيقة أن سلاسلها الطويلة تحتوي على حمض الفوسفوريك. كان فريدريش ميشر مهتمًا جدًا بعملية الإخصاب. أنتج النواة لأول مرة من القيح المأخوذ من ضمادات الجنود الجرحى. وفي وقت لاحق تم إنتاجه من الحيوانات المنوية لسمك السلمون. وفي رؤية مفاجئة، كتب ميشر في عام 1874 أنه "إذا كانت هناك مادة واحدة يمكن أن تكون العامل الفريد في عملية الإخصاب، فإن أول ما يتبادر إلى الذهن هو المادة النووية". ومضى 70 عاما حتى ثبتت هذه الفرضية بما لا يدع مجالا للشك. لقد ألحقت الحربان العالميتان ضررًا كبيرًا بالعلم الألماني، الذي كان حتى ذلك الحين يهيمن على مجال الكيمياء البيولوجية. وأصبحت الولايات المتحدة وإنجلترا مركزين علميين في هذا المجال. في عام 1944، نشر أوزوالد أفيري وزملاؤه من معهد روكفلر في نيويورك مقالة ثورية، أثبتوا فيها أن نقل الأحماض النووية من خلية بكتيرية إلى أخرى يغير الخصائص الوراثية للبكتيريا المستقبلة. وهم بذلك يخالفون الرأي السائد حتى ذلك الوقت بأن الجينات تتكون من بروتينات. كما فشل هؤلاء الباحثون في شرح الآلية الكيميائية التي يتحكم بها الحمض النووي في بنية الخلية الحية وخصائصها. والأهم من ذلك أنه لم يتم توضيح كيفية نسخ المعلومات الوراثية من جيل إلى جيل.

في العقود الأولى بعد اكتشاف الحمض النووي، اعتقد العلماء أنه مادة خاملة ومملة، وهي نفسها في تركيبها في جميع الكائنات. ومن ناحية أخرى، فمن خلال أعمال الراهب التشيكي جريجور مندل في منتصف القرن التاسع عشر، كان معروفًا أن هناك بعض الكيانات في الكائنات الحية - الجينات - التي تسمح لكل حيوان أو نبات أن يكون مختلفًا عن الآخر. كيف يمكن أن تكون الأحماض النووية هي الجينات؟ هل يمكن للسلاسل الكيميائية الطويلة للحمض النووي أن تحتوي على معلومات؟

تم تلقي التلميح الأول عندما أصبح من الواضح أن المخلوقات المختلفة لها تركيبات مختلفة من الحمض النووي، بعضها أكثر ثراءً في "الحرفين" A و T والبعض الآخر في الحرفين C و G. بعد وقت قصير من اكتشاف شركة آيفوري للاكتشاف، وجد إروين تشارجاف، وهو أمريكي من أصل نمساوي، قاعدة مثيرة للاهتمام وغامضة. في كل عينة من الحمض النووي اختبرها، كانت كمية A مساوية دائمًا لكمية T، في حين كانت كمية C هي نفس كمية G. ولكن كيف يمكن تجميع هذه القرائن معًا في صورة كاملة يمكن بمساعدتها سيتم شرح دور الأحماض النووية كحاملات للمعلومات الوراثية؟ مرت أربع سنوات أخرى. في عام 1952، كرست العالمة البريطانية الشابة روزاليند فرانكلين نفسها للتجارب المصممة لتوضيح التركيب المكاني للحمض النووي بشكل نهائي. قام فرانكلين بذلك في جامعة كامبريدج، بالتعاون مع موريس ويلكنز، باستخدام طريقة علم البلورات بالأشعة السينية، مثل تلك التي طبقها كاندرو وبيريتز في نفس الجامعة لفك بنية الهيموجلوبين. سمحت لها نتائج فرانكلين باستنتاج أن الحمض النووي عبارة عن ملف ملتوي. وأيضًا المفتاح الذي تواجهه قواعد الحمض النووي للداخل، نحو قلب الملف، بحيث يمكنها التفاعل بسهولة مع بعضها البعض، وبصعوبة كبيرة فقط مع الكيانات المعادية الخارجية.

وفي ذلك الوقت، كان يعمل في كامبريدج عالمان آخران، الأمريكي جيمس واتسون، 24 عامًا، والإنجليزي فرانسيس كريك، 37 عامًا، وكانا باحثين بارعين، قادرين على إدراك وفك رموز المشكلات المهمة في العلوم. تحدث واتسون وكريك مع ويلكنز، وحصلوا منه على بيانات فرانكلين التجريبية. وكانت البيانات الإضافية من المختبرات الأخرى متاحة لهم. وعلى نفس القدر من الأهمية: طور واتسون وكريك حدسًا ممتازًا فيما يتعلق بالبنية الدقيقة لوحدات البناء التي يتكون منها الحمض النووي. وعندما قاموا بدمج كل هذه العناصر في قطعة واحدة، وليس قبل تخمين بعض الهياكل الخاطئة، وصل الاثنان، بعد عام، إلى فك رموز بنية الحمض النووي. جعل هذا الإنجاز عام 1953 رمزًا لأهم نقطة تحول في علم الأحياء على الإطلاق.

مقالتهم القصيرة، المنشورة في المجلة العلمية Nature، تحمل عنوان ببساطة "بنية الحمض النووي". وينتهي بجملة أصبحت مرادفا: "لم نغفل حقيقة أن الاقتران المحدد للقواعد في البنية الموصوفة يجعل من الممكن اقتراح آلية نسخ للمادة الوراثية". وهكذا، وفي مثال رائع على التهوين والإيجاز، غيّر واتسون وكريك مسار تاريخ علم الوراثة.

ما تم التلميح إليه في المقالة أصبح الأساس المتين لعلم الوراثة الجزيئية. يسمح هيكل الحلزون المزدوج للحمض النووي بإدراج أي تسلسل من القواعد فيه دون إفساد الخط. وبهذه الطريقة يتم الحصول على نظام تخزين مرن وفعال للبيانات التي تترجم إلى تعليمات لبناء البروتينات والتحكم في تفاصيل بنية كل خلية حية. يحتوي الحمض النووي على المعلومات الوراثية مرتين - نوع الصورة وصورة سلبية. وفقًا لبنية واتسون وكريك، يتم دائمًا وضع القاعدة T في مقابل القاعدة A في الشريط المقابل، ويتم وضع القاعدة T في الاتجاه المعاكس لـ G، والعكس صحيح. إن الرؤية الممتازة للعلماء سمحت لهما بالتوصيف الدقيق للقوى الكيميائية (التي تسمى الروابط الهيدروجينية) التي تحكم هذا التطابق الفريد. وفي الوقت نفسه، أتاحت النتائج التي توصلوا إليها تفسير العلاقات الكمية الغامضة التي توصل إليها شارجاف، وحتى الحاجة إلى تحول القواعد إلى الداخل، تجاه بعضها البعض، كما تنبأ فرانكلين.
الفرضية التي تم الإشارة إليها في الجملة الأخيرة من المقال هي أنه إذا تم فصل الخيوط، فإن كل واحدة منها ستكون قادرة على إنماء حبلا متعارضا جديدا وفقا لقوانين المطابقة، وبالتالي سيتم تكرار الملف الأصلي. هذا هو الأساس الجزيئي لنسخ الجينات. لاكتشافهما، حصل واتسون وكريك على جائزة نوبل في الطب وعلم وظائف الأعضاء في عام 1962، والتي تقاسماها مع ويلكنز. فشل روزاليند فرانكلين في المشاركة في المجد - سواء بسبب كونها امرأة في جامعة ذات توجهات شوفينية ذكورية أو بسبب وفاتها بمرض السرطان قبل منح الجائزة -
يعتبره الكثيرون ظلمًا فظيعًا.

سيحيي العالم كله في العام القادم الذكرى السنوية الكاملة للثورة الجينية التي حدثت عام 1953. ونأمل أن تكتمل في عام 2003 قراءة آخر تفاصيل تسلسل الحمض النووي للجينوم البشري. وستكون لحظة رمزية لانتصار العقل البشري وإغلاق الدائرة التي فتحت باكتشاف الحمض النووي.