Store opdagelser: DNA – gener og arvematerialet
Mens munken Gregor Mendel i 1850'erne beskrev lovene for arvelighed i det daværende Østrig-Ungarn, opdagede biologen Johannes Miescher et fosforrigt stof i hvide blodceller og startede dermed jagten på vores arvelige egenskaber.

Model af den smukke DNA-struktur. (Foto: DNA close-up. Anna Tanczos, Wellcome Images)

 

Meischer forskede ved universitetet i Tübingen i slutningen af 1860'erne, og den unge videnskabsmand havde sat sig for at forstå den kemiske basis for biologisk liv. I den forbindelse var det naturligt, at han startede med at undersøge cellekernens byggesten.

Til denne ambitiøse opgave bestemte Meischner sig for at bruge hvide blodceller, fordi disse celler har særligt store kerner, og fordi de hvide blodceller var nemme at få fat i fra sår-pus i bandager på det lokale hospital.

I 1868 navngav Miescher det fosforrige stof nuclein, fordi det kun fandtes i cellekernen (af latin nucleus). Det skulle senere vise sig, at nuclein er vores arvemateriale DNA (deoxyribonukleinsyre).

Påvisningen af DNA som arvemateriale og beskrivelsen af DNA's struktur tog imidlertid knap hundrede år, men det er en af de helt store naturvidenskabelige bedrifter i det 20. århundrede.

Opdagelsen af DNA's struktur repræsenterer desuden starten på det forskningsfelt, vi i dag kender som molekylærbiologien.

Der fandtes et fysisk stof, der indeholdt arvelige informationer

I 1910 modtog den tyske biokemiker Albrecht Kossel (1853-1927) Nobelprisen for opdagelsen af, at nuclein består af fire baser: adenin, cytosin, guanin og thymin (A, C, G og T).

Man vidste endnu ikke, at nuclein rent faktisk var arvematerialet, og indtil omkring 2. Verdenskrig mente de fleste, at arvematerialet måtte være et protein, ikke en base, i cellekernen, for man kendte dengang kun proteiner, der var så komplekse, at de kunne indeholde information om levende organismers enorme mangfoldighed. 

Et skridt nærmere kom den engelske mikrobiolog Frederick Griffith (1879-1941), da han i 1944 påviste, at der findes et fysisk stof, som indeholder den arvelige information. 

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

Han gjorde denne vigtige opdagelse ved at undersøge, hvordan bakterier overførte en aggressiv og dødelig lungebetændelse til mus. Ikke overraskende døde musene, når de fik indsprøjtet den levende bakterie.

DNA indeholder arvematerialet

Men forbavsende nok fandt Griffith, at musene også døde, hvis han indsprøjtede kogte, altså døde, bakterier sammen med de levende harmløse bakterier.

Der måtte være noget tilbage i afkoget, som kunne omdanne den harmløse bakterie til en aggressiv dræber – nemlig et fysisk stof, som indeholdt de farlige bakteriers arvemateriale.

Senere udførte den nordamerikanske læge Oswald T. Avery (1877-1955) og hans medarbejdere en systematisk undersøgelse, hvor de ødelagde bakteriernes forskellige komponenter én efter én. I 1944 kunne de fastslå, at det stof, som overførte den dødelige effekt, var DNA.

DNA, fastslog de, er det molekyle, som indeholder arvematerialet.

Man manglede at beskrive DNA's struktur

Det stod klart, at DNA bærer al vores genetiske information, og at det er det molekyle, som overfører den biologiske information fra én generation til den næste.

Man manglede dog stadig at beskrive DNA's struktur, og da mange forskningsgrupper var klar over vigtigheden af dette molekyle, startede der nu et intenst kapløb blandt en række veletablerede forskningsgrupper.

Kapløbet kom til at vare i flere år og blev vundet af den engelske fysiker Francis Crick (1916-2004) og den amerikanske biokemiker James Watson (f. 1928), som arbejdede sammen på Cambridge University.

De to forskere havde ikke opnået noget særligt før DNA's struktur

James Watson and Francis Crick kunne i 1953 fremvise en model for DNA’s molekylære struktur. De viste, hvordan arvemateriale overføres fra den ene generation til den næste, idet den dobbelte helix deles, og afkommet modtager en streng fra hver forælder. (Foto: Watson og Crick. A Barrington Brown/The Science Photo Library Limited/Scanpix.

At det netop skulle være disse to forskere, som løste DNA's gåde, kom som en overraskelse, da de begge var ubeskrevne blade i videnskaben.

Francis Crick (1916-2004) var fysiker og havde aldrig afsluttet sin ph.d.-grad, men var i 1949 kommet til Cambridge for at studere proteinernes struktur hos Nobelprismodtageren Max Perutz (1914-2002).

Den unge Watson var netop ankommet fra København, hvor han havde arbejdet med den danske biokemiker Herman Kalckar (1908-1991), dog uden at opnå de store resultater.

 

De benyttede sig af røntgenbilleder

Til at undersøge DNA's struktur brugte Crick og Watson røntgenbilleder, som andre forskere havde produceret.

Inspireret af biokemikeren Linus Paulings (1901-1994) samtidige succes, da han beskrev proteiners struktur, begyndte Crick og Watson også at bygge fysiske modeller af DNA-molekylet.

I november 1951 kunne de unge løver ringe til nære kolleger og konkurrenter for at fortælle, at de havde løst mysteriet om DNA's struktur.

Til deres store skuffelse kunne kollegaen og biofysikeren Rosalind Franklin (1920-1958) imidlertid inden for ganske få minutter påpege ødelæggende uoverensstemmelser med røntgenkrystallografien, og deres overordnede nedlagde nu forbud mod fortsættelsen af modelbyggeriet.

 

DNA's struktur blev foreslået som tre sammensnoede kæder

Watson og Crick blev flyttet over på andre projekter, men opgav dog ikke interessen for DNA.

Man kan producere klonede stamceller i laboratoriet. Håbet er, at klonede stamceller en dag kan behandle sygdomme som Alzheimers og sukkersyge, hvor kroppens egne celler dør. På trods af det enorme kliniske potentiale er stamcelleforskning meget omdiskuteret pga. etiske overvejelser. (Foto: Stamcelleforskning. James King-Holmes/The Science Photo Library Limited/Scanpix)

Tidligt på året i 1953 publicerede Pauling et bud på en struktur for DNA, som byggede på tre sammensnoede kæder. Nyheden om DNA-gådens løsning kom som en stor skuffelse hos de engelske grupper, men Watson var alligevel overbevist om, at modellen ikke var rigtig.

Han og Crick undersøgte sagen hos kolleger i London og så Franklins nye krystalbilleder af DNA's såkaldte B-form. Her viste deres samarbejde sig på smukkeste vis.

 

Mislykkede forsøg førte til opdagelsen af dobbelthelixen

Crick regnede hurtigt ud, at DNA måtte være en helix, og med god biologisk intuition mente Watson, at en dobbelt helix ville være mere plausibel end Paulings tredobbelte helix.

Crick og Watson skyndte sig tilbage til Cambridge for at bygge nye modeller; de kunne end ikke vente på, at universitetets værksted kunne levere delene og måtte derfor nøjes med papmodeller for de enkelte komponenter.

Desværre var der fejl i den kemilærebog, Watson og Crick benyttede til at forudsige de kemiske bindinger, og først efter en række mislykkede forsøg kunne de om morgenen den 28. februar 1953 præsentere DNA's struktur som en dobbelthelix.

 

Dobbelthelixen kunne gå fra hinanden som en lynlås

Den dobbelte helix er to komplimentære og sammensnoede kæder, der bindes sammen af kemiske bindinger af adenin med thymin og cytocin med guanin. Nærmest som en vredet stige, hvor trinnene er bindingerne mellem nukleotiderne.

I bagklogskabens ulideligt klare lys giver denne relativt simple struktur god biologisk mening, fordi de to kæder kan gå fra hinanden som en lynlås og dermed lade sig kopiere til komplimentære kopier.

Det var således med næsten overdreven engelsk underspillethed, at Watson og Crick mindre end to måneder efter deres opdagelse af strukturen den 25. april 1953 kunne afslutte deres artikel i Nature med sætningen:

I dag bruger man ofte DNA-chips til at måle, hvilke gener der udtrykkes – det vil sige hvilke proteiner cellen producerer. Metoden har vist sig ekstremt brugbar i diagnosticeringen af sygdomme som f.eks. brystkræft og bruges flittigt i grundforskningen. (Foto: DNA-chip. Guillaume Paumier)

»It has not escaped our notice that the specific pairing that we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.«

 

Beskrivelsen af det humane genom sammenlignes med månelandingen

Med påvisningen af den dobbelte helix lå der nu et enormt arbejde forude i at undersøge, hvordan informationen i DNA først oversættes til RNA og derefter til protein. Det er det såkaldt centrale dogme i molekylærbiologien.

Dette tog et par årtier og skete fortsat under enorm indflydelse fra Watson og Crick. Watson blev sågar sat i spidsen for det humane genomprojekt, som i 2003 resulterede i en fuldstændig beskrivelse af DNA-sekvenserne for menneskets omtrent 25.000 gener.

Beskrivelsen af det humane genom beskrives ofte som en lige så stor videnskabelig præstation, som da de første astronauter landede på Månen i 1969.

 

DNA spiller central rolle i den moderne evolutionsbiologi

På samme måde som med månelandingen medførte beskrivelsen af det humane genom også, at der blev udviklet en række nye og meget mere effektive metoder i molekylærbiologien, og særligt inden for de sidste par år er det blevet meget nemmere at beskrive DNA-sekvenser hos alle mulige organismer og mennesker med specifikke sygdomme.

Det har enorm betydning både i biologien og i lægevidenskaben. I biologien er DNA-sekvensen i genomet blevet den bedste måde at bestemme slægtskabet imellem dyre- og plantegrupper, og molekylærbiologien spiller således en helt central rolle i den moderne evolutionsbiologi.

I lægevidenskaben er det nu muligt at bruge DNA-sekvensen for den enkelte patient til at designe den bedst egnede kliniske behandling, og man bruger allerede DNA-analyser til at identificere specifikke sygdomme og til at udrede risikoen for at udvikle særlige sygdomme som for eksempel brystkræft.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om Evidensbarometeret, som Videnskab.dk lige har lanceret.