Esattamente 65 anni fa, gli scienziati britannici James Watson e Francis Crick pubblicarono un articolo sulla decifrazione della struttura del DNA, gettando le basi per una nuova scienza: la biologia molecolare. Questa scoperta è cambiata molto nella vita dell'umanità. RIA Novosti parla delle proprietà della molecola di DNA e del perché è così importante.
Nella seconda metà del 19 ° secolo, la biologia era una scienza molto giovane. Gli scienziati stavano appena iniziando a studiare la cellula e il concetto di ereditarietà, sebbene fosse già stato formulato da Gregor Mendel, non ricevette ampio riconoscimento.
Nella primavera del 1868, un giovane medico svizzero, Friedrich Miescher, venne all'Università di Tubinga (Germania) per svolgere lavori scientifici. Voleva scoprire di quali sostanze è composta la cellula. Per gli esperimenti, ho scelto i leucociti, che sono facili da ottenere dal pus.
Separando il nucleo dal protoplasma, dalle proteine e dai grassi, Miescher ha scoperto un composto con un alto contenuto di fosforo. Ha chiamato questa molecola nucleina ("nucleo" in latino è il nucleo).
Questo composto ha mostrato proprietà acide, quindi è stato coniato il termine "acido nucleico". Il suo prefisso deoxyribo significa che la molecola contiene gruppi H e zuccheri. Poi si è scoperto che in realtà era sale, ma il nome non è stato cambiato.
All'inizio del XX secolo, gli scienziati sapevano già che una nucleina è un polimero (cioè una molecola flessibile molto lunga di unità ripetitive), le unità sono composte da quattro basi azotate (adenina, timina, guanina e citosina), e la nucleina è contenuta nei cromosomi - strutture compatte che sorgono in cellule in divisione. La loro capacità di trasmettere tratti ereditari è stata dimostrata dal genetista americano Thomas Morgan in esperimenti sui moscerini della frutta.
Struttura del DNA.
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Il modello che ha spiegato i geni
Ma ciò che l'acido desossiribonucleico, o in breve DNA, fa nel nucleo cellulare, non è stato compreso per molto tempo. Si pensava che giocasse una sorta di ruolo strutturale nei cromosomi. Le unità di ereditarietà - i geni - sono state attribuite alla natura della proteina. La svolta è stata fatta dal ricercatore americano Oswald Avery, che ha dimostrato sperimentalmente che il materiale genetico viene trasmesso dai batteri ai batteri attraverso il DNA.
È diventato chiaro che il DNA doveva essere studiato. Ma come? A quel tempo, solo i raggi X erano disponibili per gli scienziati. Per far brillare le molecole biologiche attraverso di loro, hanno dovuto cristallizzare, e questo è difficile. La decifrazione della struttura delle molecole proteiche mediante modelli di diffrazione dei raggi X è stata eseguita presso il Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). I giovani ricercatori James Watson e Francis Crick che hanno lavorato lì non avevano i propri dati sperimentali sul DNA, quindi hanno usato le radiografie dei colleghi del King's College Maurice Wilkins e Rosalind Franklin.
Watson e Crick hanno proposto un modello della struttura del DNA che corrisponde esattamente agli schemi di diffrazione dei raggi X: due fili paralleli sono attorcigliati in un'elica di destra. Ciascuna catena è piegata da un insieme arbitrario di basi azotate infilate sulla spina dorsale dei loro zuccheri e fosfati, e tenute insieme da legami idrogeno tese tra le basi. Inoltre, l'adenina si combina solo con timina e guanina - con citosina. Questa regola è chiamata principio di complementarità.
Il modello di Watson e Crick ha spiegato le quattro funzioni principali del DNA: replicazione del materiale genetico, sua specificità, immagazzinamento di informazioni in una molecola e sua capacità di mutare.
Gli scienziati hanno pubblicato la loro scoperta sulla rivista Nature il 25 aprile 1953. Dieci anni dopo, lui e Maurice Wilkins vinsero il Premio Nobel per la biologia (Rosalind Franklin morì nel 1958 di cancro all'età di 37 anni).
“Ora, più di mezzo secolo dopo, possiamo affermare che la scoperta della struttura del DNA ha svolto nello sviluppo della biologia lo stesso ruolo della scoperta del nucleo atomico in fisica. La delucidazione della struttura dell'atomo ha portato alla nascita di una nuova fisica quantistica e la scoperta della struttura del DNA ha portato alla nascita di una nuova biologia molecolare , scrive Maxim Frank-Kamenetsky, genetista eccezionale, ricercatore del DNA, autore del libro The Most Important Molecule.
Codice genetico
Ora restava da scoprire come funziona questa molecola. Era noto che il DNA contiene istruzioni per la sintesi di proteine cellulari che svolgono tutto il lavoro nella cellula. Le proteine sono polimeri costituiti da serie ripetute (sequenze) di amminoacidi. Inoltre, ci sono solo venti aminoacidi. Le specie animali differiscono l'una dall'altra nell'insieme di proteine nelle cellule, cioè in diverse sequenze di amminoacidi. La genetica sosteneva che queste sequenze fossero date da geni, che allora si riteneva fossero i primi mattoni della vita. Ma quali fossero i geni, nessuno lo sapeva esattamente.
L'autore della teoria del Big Bang, il fisico Georgy Gamov, un dipendente della George Washington University (USA), lo ha chiarito. Basandosi sul modello dell'elica di DNA a doppio filamento di Watson e Crick, ha suggerito che un gene è un pezzo di DNA, cioè una certa sequenza di collegamenti - nucleotidi. Poiché ogni nucleotide è una delle quattro basi azotate, devi solo capire come i quattro elementi codificano per venti. Questa era l'idea alla base del codice genetico.
All'inizio degli anni '60, era stato stabilito che le proteine sono sintetizzate dagli amminoacidi nei ribosomi, una sorta di "fabbriche" all'interno della cellula. Per avviare la sintesi proteica, un enzima si avvicina al DNA, riconosce un sito specifico all'inizio del gene, sintetizza una copia del gene sotto forma di un piccolo RNA (è chiamato un modello), quindi una proteina viene coltivata dagli amminoacidi nel ribosoma.
Hanno anche scoperto che il codice genetico è di tre lettere. Ciò significa che tre nucleotidi corrispondono a un amminoacido. L'unità del codice era chiamata codone. Nel ribosoma, le informazioni dall'mRNA vengono lette codone per codone, in sequenza. E ciascuno di essi corrisponde a diversi amminoacidi. Che aspetto ha il codice?
Marshall Nirenberg e Heinrich Mattei dagli USA hanno risposto a questa domanda. Nel 1961 presentarono i loro risultati per la prima volta a un congresso biochimico a Mosca. Nel 1967, il codice genetico era stato completamente decodificato. Si è rivelato universale per tutte le cellule di tutti gli organismi, il che ha avuto conseguenze di vasta portata per la scienza.
La scoperta della struttura del DNA e del codice genetico ha completamente riorientato la ricerca biologica. Il fatto che ogni individuo abbia una sequenza di DNA unica ha cambiato radicalmente la scienza forense. La decifrazione del genoma umano ha fornito agli antropologi un metodo completamente nuovo per studiare l'evoluzione della nostra specie. CRISPR-Cas, editor di DNA di recente invenzione, ha portato avanti molto l'ingegneria genetica. Apparentemente, questa molecola immagazzina la soluzione ai problemi più urgenti dell'umanità: cancro, malattie genetiche, invecchiamento.
Tatiana Pichugina
