Największa tajemnica życia. Jak rozszyfrowano kod genetyczny

Chociaż może się to nam wydawać zaskakujące, pojęcie kodu przenoszącego informację genetyczną pojawiło się dopiero 1953 r.

Wprowadzili je James Watson i Francis Crick, w artykule opublikowanym w czasopiśmie „Nature”. Idea została bez zastrzeżeń zaakceptowana przez świat naukowy, chociaż nikt jeszcze nie wiedział, w jaki sposób może działać ów tajemniczy kod, złożony z cząstek czterech zasad, łączących nici DNA w podwójną helisę.

Książka Matthew Cobba, genetyka i historyka, opowiada o niezwykłych źródłach tych koncepcji, których początki można odnaleźć w matematyce, fizyce, a także badaniach nad systemami łączności. Autor pokazuje, w jaki sposób idee dotyczące informacji przeniknęły do biologii za pośrednictwem cybernetyki, umożliwiając naukowcom zrozumienie istoty kodu genetycznego.

„Największa tajemnica życia” to historia idei i eksperymentów, pomysłowości, genialnych przebłysków intuicji i porażek, aż do największych odkryć biologii minionego i obecnego stulecia.

Naukowiec i historyk wykorzystał oba talenty, by stworzyć kapitalną, błyskotliwą książkę dla wszystkich, którzy chcą zrozumieć, jak działają geny.
Brian Cox, autor „Dlaczego E=mc²” i „Kwantowego Wszechświata”

Matthew Cobb jest profesorem zoologii na University of Manchester. Absolwent University of Sheffield, posiada stopnie naukowe w kilku dziedzinach, m.in. z genetyki, zajmuje się także historią nauki.

Przedmowa

W kwietniu 1953 roku Jim Watson i Francis Crick opublikowali w czasopiśmie „Nature” artykuł, w którym opisali strukturę DNA, materiału stanowiącego budulec naszych genów, mającą postać podwójnej spirali. W drugim artykule, który ukazał się sześć tygodni później, Watson i Crick wysunęli hipotezę dotyczącą funkcji „zasad” – czterech rodzajów cząsteczek rozmieszczonych wzdłuż każdej nici podwójnej spirali i wiążących obie nici ze sobą. Pisali: „Wydaje się zatem prawdopodobne, że dokładna sekwencja zasad stanowi kod przenoszący informację genetyczną”.
Powyższy passus – prawie na pewno dzieło Cricka – wszystkim czytelnikom artykułu musiał się wydawać jednocześnie kompletnie obcy i całkiem znajomy. Brzmiał on obco, ponieważ nikt przedtem nie wypowiedział się aż tak precyzyjnie – nikt nie wspominał o „informacji genetycznej”. Była to kategoria stworzona właśnie przez Watsona i Cricka. Mimo to passus wydawał się czymś znajomym, gdyż tak dobrze pasował do będących wówczas w obiegu idei. Przyjęto go bez dyskusji; ten nowy sposób spojrzenia na życie wydał się tak oczywisty, że został natychmiast zaakceptowany przez wszystkich naukowców. Dziś tymi albo podobnymi słowami objaśnia się codziennie w szkolnych klasach na całym świecie naturę genów oraz informacje, które zawierają.
Niniejsza książka zgłębia zaskakującą genezę tych idei, których początków należy szukać w fizyce i matematyce, a także w prowadzonych podczas wojny pracach nad konstruowaniem dział przeciwlotniczych i nad łącznością sygnałową. Opisano w niej, w jaki sposób owe koncepcje wkroczyły do świata biologii poprzez modną podówczas dziedzinę wiedzy – cybernetykę – i jak uległy transformacji, gdy biolodzy starali się pojąć największy sekret życia: istotę kodu genetycznego. To historia idei i eksperymentów, pomysłowości, spostrzeżeń i ślepych uliczek, a także wyścigu do największego odkrycia biologii XX wieku, odkrycia, które otworzyło nam drzwi do nowego wspaniałego świata XXI wieku.
Manchester, kwiecień 2015 roku

W pierwszych dziesięcioleciach XIX wieku zarządzający przemysłem sukienniczym w Europie Środkowej – na Morawach – pragnęli poprawić jakość owczego runa. Pół wieku wcześniej brytyjski hodowca bydła Robert Bakewell wykorzystał selektywną hodowlę w celu zwiększenia produkcji mięsa; teraz morawscy kupcy handlujący wełną chcieli powtórzyć jego sukces. W 1837 roku Stowarzyszenie Hodowców Owiec zwołało konferencję w celu omówienia sposobów zwiększenia produkcji wełny. Głos zabrał między innymi nowy opat klasztoru w Brnie, mieście leżącym w sercu regionu produkującego wełnę. Opat Napp żywo interesował się dziedziczeniem oraz sposobem jego wykorzystania dla poprawy wyników hodowli zwierząt oraz zbiorów owoców i plonów winnic. Napp nie traktował tych zagadnień tylko jako hobby – klasztor był również wielkim posiadaczem ziemskim. Podczas spotkania opat argumentował, że zajęcie się tą fundamentalną kwestią to najlepszy sposób na zwiększenie produkcji wełny. Ujął tę myśl w takich oto niecierpliwych słowach: „Tym, czym powinniśmy się zająć, nie jest teoria ani proces hodowli. Należy zamiast tego postawić pytanie: co ulega dziedziczeniu i w jaki sposób?”1.
To pytanie, które nam wydaje się tak oczywiste, odgrywało wówczas główną rolę w poszukiwaniach naukowych, gdyż słowa „dziedziczność” i „dziedziczony” dopiero niedawno zyskały znaczenie biologiczne2. Mimo wielowiekowej praktycznej wiedzy hodowców zwierząt oraz powszechnego przekonania, że „podobne rodzi podobne”, wszystkie próby przeniknięcia przyczyn istnienia rozmaitych podobieństw między rodzicami a potomstwem spełzły na niczym wobec całego wachlarza cech widywanych w ludzkich rodzinach – barwa skóry i oczu oraz płeć wykazują różne wzorce podobieństwa w poszczególnych pokoleniach. Barwa skóry dziecka przeważnie stanowi połączenie odcieni skóry jego rodziców, jego oczy mogą się różnić kolorem od oczu obojga rodziców, a płeć dziecka z wyjątkiem garści przypadków odpowiada płci tylko jednego z rodziców.
Te tajemnicze i wzajemnie sprzeczne wzorce – wszystkie stanowiące przedmiot rozważań siedemnastowiecznego lekarza Williama Harveya, jednego z pierwszych ludzi, którzy usilnie starali się rozwikłać to zagadnienie – uniemożliwiały wystąpienie z jakimkolwiek ogólnym wyjaśnieniem3, gdyż nie dysponowano wówczas odpowiednimi narzędziami. Problemy te sprawiły, że dopiero po wiekach ludzkość zdała sobie sprawę, iż rodzice przekazują potomstwu coś określającego charakterystyczne cechy organizmu. W XVIII i na początku XIX wieku śledzenie ludzkich cech, takich jak polidaktylia (obecność dodatkowych palców), a także selektywna hodowla Bakewella ostatecznie przekonały uczonych, że działa tu pewna siła, którą nazwano „dziedziczeniem” 4. Problem polegał na tym, jak znaleźć odpowiedź na pytanie Nappa – co ulega dziedziczeniu i w jaki sposób?
Napp nie dokonał tego przełomu pojęciowego w pojedynkę: inni badacze, tacy jak Christian André i hrabia Emmerich Festetics*, badali zagadnienie, które Festetics nazwał „genetycznymi prawami natury”.

* Według węgierskiej wersji Imre Festetics (przyp. tłum.).

Jednak w odróżnieniu od nich Napp mógł zgromadzić w swoim klasztorze grupę błyskotliwych intelektualistów i zachęcić ich do zgłębiania tego problemu, trochę tak jak wydział współczesnego uniwersytetu skupia się na określonym kierunku badań. Badania osiągnęły cel w 1865 roku, kiedy protegowany Nappa, mnich Gregor Mendel, wygłosił dwa wykłady, w których na przykładzie grochu wykazał, że dziedziczenie opiera się na czynnikach przekazywanych z pokolenia na pokolenie.
Odkrycie Mendla, opublikowane w następnym roku, wywołało jednak niewielki oddźwięk i Mendel już nie zajmował się tym zagadnieniem. Opat Napp wkrótce potem zmarł, a Mendel resztę życia, aż do śmierci w 1884 roku, poświęcił zarządzaniu klasztorem. Znaczenia jego odkrycia nie doceniono i przez prawie dwa dziesięciolecia wyniki jego prac pozostały niezauważone5. Jednakże w 1900 roku trzej europejscy naukowcy – Carl Correns, Hugo de Vries i Erich von Tschermak – powtórzyli eksperymenty Mendla albo przeczytali jego artykuł i opublikowali swoje spostrzeżenia6. Rozpoczęło się stulecie genetyki.

Odkrycie prac Mendla wzbudziło wielkie podekscytowanie, gdyż uzupełniły one i wyjaśniły niektóre niedawne obserwacje. W latach osiemdziesiątych XIX wieku August Weismann i Hugo de Vries wysunęli przypuszczenie, że u zwierząt dziedziczenie odbywa się za pośrednictwem tego, co Weismann nazwał linią płciową, czyli komórek płciowych: komórki jajowej i plemnika. Badacze posługujący się mikroskopami za pomocą nowo odkrytych barwników ujawnili w komórkach obecność struktur zwanych chromosomami (to słowo oznacza „kolorowe ciała”); Theodor Boveri i Oscar Hertwig wykazali, że struktury te przed podziałem komórki tworzą swoje kopie. W 1902 roku Walter Sutton, doktorant z nowojorskiego Uniwersytetu Columbia, opublikował artykuł na temat konika polnego. Wykorzystał w tej pracy własne dane oraz wyniki obserwacji Boveriego i wysunął śmiałą hipotezę, że chromosomy „mogą stanowić fizyczne podłoże mendlowskiego prawa dziedziczenia”7. W drugim artykule, opublikowanym cztery miesiące później, ujął rzecz następująco: „Powinniśmy móc odnaleźć ścisłą korelację między zachowaniem dowolnego chromosomu w procesie dziedziczenia a związanymi z nim charakterystycznymi cechami danego organizmu”8. Spostrzeżenie Suttona – które jednocześnie nasunęło się, jak sam wkrótce stwierdził, także Boveriemu – nie zostało natychmiast uznane za prawdziwe9. Najpierw wybuchł długi spór o to, czy teoria Mendla odnosi się do wszystkich wzorców dziedziczenia, następnie toczyły się dyskusje na temat rzeczywistego istnienia związku dziedziczenia z zachowaniem chromosomów10.
W 1909 roku Wilhelm Johannsen ukuł termin „gen” na określenie czynnika determinującego cechy dziedziczne, ale wyraźnie odrzucił pogląd, jakoby gen stanowił jakąkolwiek fizyczną strukturę lub cząstkę. Zamiast tego dowodził, że pewne cechy determinuje jakaś uporządkowana predyspozycja (pisząc po niemiecku, użył nieomal nieprzekładalnego słowa Anlagen), zawarta w komórce jajowej i plemniku, a owe Anlagen stanowiły właśnie to, co nazwał genami11.
Inny naukowiec, Thomas Hunt Morgan, również pracujący na Uniwersytecie Columbia (do tego czasu Sutton, nie ukończywszy doktoratu, wrócił do szkoły medycznej), początkowo prezentował wrogie stanowisko wobec nowej dziedziny nauki, którą wkrótce miano nazwać „genetyką”12. Morgan doktoryzował się z biologii morskiej, badając rozwój kikutnic, czyli pająków morskich z gromady Pycnogonida, od niedawna jednak studiował ewolucję na przykładzie drobnej czerwonookiej muszki owocowej z rodzaju Drosophila13. Poddawał nieszczęsne owady działaniu rozmaitych niekorzystnych czynników środowiskowych – skrajnej temperatury, siły odśrodkowej, zmienionego oświetlenia – w próżnej nadziei wywołania u nich zmiany mogącej stanowić podstawę przyszłej ewolucji. W grupach jego muszek rzeczywiście pojawiały się pewne drobne mutacje, trudno jednak było zauważyć wszystkie. W 1910 roku, gdy Morgan chciał już dać za wygraną, w stadach swoich laboratoryjnych muszek odkrył osobnika o białych oczach. W ciągu paru tygodni w ślad za nim pojawiły się kolejne zmutowane muszki i nim lato dobiegło końca, uczony miał do badania sześć wyraźnie określonych mutacji, które – podobnie jak w przypadku białookiego mutanta – wydawały się częściej ujawniać u samców niż u samic. Dawne wątpliwości Morgana co do genetyki rozwiały się pod wpływem podekscytowania dokonanym odkryciem.
W 1912 roku Morgan wykazał, że za białą barwę oczu odpowiada czynnik genetyczny w obrębie chromosomu płciowego X; tym samym dostarczył doświadczalnego dowodu na słuszność chromosomalnej teorii dziedziczenia. Wykazał też równie ważny fakt, że zmienne wzorce dziedziczenia grup genów mają związek z częstością, z jaką pary chromosomów podczas tworzenia się komórek jajowych i plemników wymieniają się swoimi częściami (tzw. crossing over)14. Cechy przeważnie dziedziczone razem interpretowano jako wynik działania genów leżących fizycznie blisko siebie w obrębie chromosomu – ich rozdzielenie podczas crossing over jest mniej prawdopodobne. I odwrotnie, cechy łatwo rozdzielane podczas krzyżowania osobników uznano za wynik działania genów leżących w chromosomie dalej od siebie.
Dzięki tej metodzie Morgan i jego uczniowie – głównie Alfred Sturtevant, Calvin Bridges i Hermann Muller – mogli tworzyć mapy lokalizacji genów w obrębie czterech par chromosomów muszek. Mapy te wskazywały, że geny są rozmieszczone liniowo w jakiejś jednowymiarowej strukturze wzdłuż chromosomu15. Do lat trzydziestych XX wieku mapy Morgana stały się już niezmiernie szczegółowe, gdyż dzięki nowym technikom barwienia na każdym chromosomie ujawniały się setki prążków. Jak przewidział Sutton, wzorce występowania tych prążków można było powiązać z wzorcami dziedziczenia mutacji, zatem można też było zlokalizować konkretne geny w drobnych fragmentach chromosomu.
Jeśli jednak chodzi o odpowiedź na pytanie, z czego geny są zbudowane, to pozostawało to całkowitą tajemnicą. W 1919 roku Morgan omówił dwie ewentualności, choć obie uznał za niezadowalające. Pisał, że gen może być „chemiczną cząsteczką”, lecz w takim wypadku „nie wiadomo, jak mógłby ulec zmianie inaczej niż poprzez zmianę składu chemicznego”. Druga możliwość polegała na tym, że gen jest „zmienną ilością jakiejś substancji”, która różni się u poszczególnych osobników i z czasem może ulegać zmianie. Jakkolwiek ten drugi model wyjaśniał zarówno indywidualne różnice, jak i sposób rozwoju organizmów, nieliczne dostępne wyniki badań sugerowały, że nie jest poprawny. Morgan podsumował to wzruszeniem ramion: „Obecnie nie widzę sposobu rozstrzygnięcia tego dylematu”, oświadczył czytelnikom16.
Nawet czternaście lat później, gdy w 1933 roku Morgan świętował otrzymanie Nagrody Nobla za prace badawcze, na tym polu dokonał się niewielki postęp. Uczony ujął to bez ogródek w okolicznościowym wykładzie: „Wśród genetyków nie ma zgodnej opinii co do tego, czym są geny – czy rzeczywiście istnieją, czy są czystą fikcją”. „Owa niezgoda wynika z faktu – stwierdził – że na poziomie eksperymentów genetycznych nie ma najmniejszej różnicy, czy gen to jednostka hipotetyczna, czy materialna cząstka. W obu wypadkach jednostka ta jest związana z określonym chromosomem i można ją zlokalizować za pomocą czysto genetycznej analizy”17. Może się to wydać dziwne, lecz dla wielu genetyków w latach trzydziestych XX wieku to, z czego są zbudowane geny – o ile w ogóle z czegoś się składają – nie miało znaczenia.
W 1926 roku Hermann Muller zrobił krok w kierunku udowodnienia, że geny to rzeczywiście obiekty fizyczne, gdy wykazał, iż promienie rentgenowskie mogą wywoływać mutacje. Choć niewielu dawało wiarę jego odkryciu – wśród wątpiących znalazł się także jego były promotor pracy doktorskiej Morgan, z którym łączyły Mullera bardzo napięte relacje – w ciągu roku jego teza zyskała potwierdzenie. W 1932 roku Muller przeniósł się na krótko do Berlina, gdzie współpracował z rosyjskim genetykiem Nikołajem Timofiejewem-Riesowskim, który kontynuował swoje badania nad wpływem promieni Roentgena. Wkrótce potem Timofiejew-Riesowski rozpoczął badania naukowe z Karlem Zimmerem, fizykiem zajmującym się promieniotwórczością, oraz Maxem Delbrückiem, młodym niemieckim fizykiem kwantowym, który dawniej współpracował z duńskim fizykiem Nielsem Bohrem. Trójka ta postanowiła zastosować „teorię celu” – kluczową koncepcję w badaniach skutków promieniowania – w genetyce18.
Uczeni bombardowali komórki promieniami rentgenowskimi, żeby sprawdzić częstość pojawiania się różnych mutacji w zależności od częstotliwości i natężenia promieniowania. Sądzili, że w ten sposób będzie można wydedukować fizyczne rozmiary genu („celu”), a pomiary jego wrażliwości na promieniowanie mogą zdradzić jakieś informacje o składzie.