Φυσική και DNA

Άρθρο, Νοέμβριος 2003

Είναι πρόσφατη η 50η επέτειος της ανακάλυψης της δομής της διπλής έλικας του DNA, και με την ευκαιρία γράφτηκαν αμέτρητα άρθρα ή βιβλία. Οργανώθηκαν δε διασκέψεις για να γιορτάσουν το μεγάλο αυτό γεγονός, που από όλους θεωρείται ότι είναι η μεγαλύτερη πρόοδος στη βιολογία από την εποχή που ο Δαρβίνος πρότεινε τη θεωρία της εξέλιξης μέσω της φυσικής επιλογής.

Εντούτοις, φαίνονται να αγνοούνται δύο πτυχές της ιστορίας της ανακάλυψης του DNA, σε όλες τις συζητήσεις για το παρελθόν, το παρόν και το μέλλον της γενετικής.

Το πρώτο είναι, ότι η δομή της διπλής έλικας προέκυψε σε ένα εργαστήριο της φυσικής. Το δεύτερον, ότι το DNA είναι ακόμα ο στόχος έντονης μελέτης από μια μικρή ομάδα φυσικών σε όλο τον κόσμο.

Γι' αυτό και θα αναφέρουμε τη συνεισφορά των φυσικών στην ανακάλυψη του DNA.

Φυσικά, θα ήταν μεγαλοστομία να πούμε ότι οι φυσικοί ανακάλυψαν τη διπλή έλικα από μόνοι τους. Ξέρουμε ότι ο James Watson ήταν βιολόγος, αλλά όπως περιγράφει ο Hugh Huxley σε ένα άρθρο του για το  "Εργαστήριο Cavendish και τη δομική βιολογία", πολλά γεγονότα ήρθαν έτσι που η ανακάλυψη του DNA να γίνει στο διάσημο εργαστήριο Cavendish στο Κέιμπριτζ.

Στη δεκαετία του '30, στο Cavendish κυριαρχούσε ο Ernest Rutherford και η πυρηνική φυσική. Εντούτοις, όταν αυτός πέθανε, απροσδόκητα το 1937, οι εκλέκτορες για την έδρα της φυσικής στο Cavendish αποφάσισαν ότι η πυρηνική φυσική είχε γίνει πολύ ακριβή για ένα πανεπιστημιακό εργαστήριο, και επέλεξαν σαν αντικαταστάτη του Rutherford, ένα φυσικό ειδικό στην κρυσταλλογραφία, τον Lawrence Bragg.

Ο Francis Crick έφθασε εκεί το 1949 - έχοντας αποφοιτήσει με δίπλωμα στη φυσική από το Πανεπιστημιακό Κολέγιο του Λονδίνο το 1937. Τέλος, ο James Watson ήρθε δύο χρόνια αργότερα στο Κέιμπριτζ, σε ηλικία μόνο 22 ετών, ενώ ο Crick ήταν τότε περίπου 35 χρονών.

Παρόλο που οι εργασίες τους προχωρούσαν αργά, εντούτοις, το ζευγάρι των επιστημόνων επέμενε και η εργασία τους για τη διπλή έλικα του DNA, δημοσιεύτηκε στο Nature στις 25 Απριλίου του 1953.

Η συμβολή της φυσικού Rosalind Franklin

Ακολούθησε ένα βραβείο Νόμπελ το 1962 και τα υπόλοιπα, όπως λένε οι ίδιοι, είναι γραμμένα στην ιστορία - εκτός από τη συμβολή της φυσικού Rosalind Franklin στην ανακάλυψη του DNA.

Φαίνεται περίεργο και άδικο ότι ούτε ο φυσικός Crick, ούτε ο Watson, ούτε ο φυσικός Maurice Wilkins δεν αναφέρθηκαν ποτέ στη συμβολή της Rosalind Franklin, η οποία πέθανε το 1958 σε ηλικία μόλις 37 χρονών, στις ομιλίες τους στην τελετή των Νόμπελ το 1952.

Πολλοί θεωρούν ότι τα εμπόδια που αντιμετώπισε η Franklin, στα βρετανικά επιστημονικά ιδρύματα της δεκαετίας του '50 και στο χώρο της επιστήμης, οφείλονται στο φύλο της αλλά στην εβραϊκή καταγωγή της.

Οι Crick και Watson στηρίχθηκαν σε δύο βασικά κομμάτια πληροφοριών που οφείλονταν στην Franklin, αλλά τα πήραν χωρίς να το γνωρίζει η ίδια.

Η μία πληροφορία ήταν η φωτογραφία της DNA 51, την οποία ο Maurice Wilkins (που την είχε πάρει από το γραφείο της Franklin) έδειξε στον Watson τον Ιανουάριο του 1953.

Όπως γράφει ο Watson στο βιβλίο Διπλός Έλικας, "για μια στιγμή όταν είδα την εικόνα έμεινα με το στόμα ανοικτό και η καρδιά μου άρχισε να κτυπά δυνατά, γιατί αναγνώρισα αμέσως την αποκαλυπτική ελικοειδή υπογραφή του DNA". Αυτή φωτογραφία της διπλής έλικας τον στήριξε ψυχολογικά για να πέσει με τα μούτρα στην αναζήτηση της δομής του DNA.

Και η άλλη πληροφορία που χρησιμοποιήθηκε ήταν οι μετρήσεις της Franklin στο κύτταρο DNA, τις οποίες είχε συμπεριλάβει σε μια έκθεση στο ιατρικό ερευνητικό συμβούλιο. Όταν ο Max Perutz έδωσε αυτήν την μη δημόσια έκθεση στον Crick τον Φεβρουάριο του 1953, ο Crick αναγνώρισε ότι τα δύο σκέλη του έλικα κινούνται σε αντίθετες κατευθύνσεις.

Αν δεν στηρίζονταν σε αυτές τις ενδείξεις, οι Crick και Watson δεν θα ήταν σε θέση να συναρμολογήσουν τη δομή του DNA τόσο γρήγορα όσο έκαναν. Εντούτοις, οι Crick και Watson έλαβαν επίσης κι άλλες σημαντικές ενδείξεις από τους Astbury, Chargaff, Donohue, Furberg, Wilkins αλλά και άλλους ερευνητές στο Cavendish.

Δηλαδή οι Crick και Watson 'έκλεψαν' κάτι από την Franklin και το παρουσίασαν ως δικό τους; Όχι φυσικά. Η Franklin ήταν πολύ κοντά στον υπολογισμό της δομής του DNA, αλλά δεν το έκανε. Ο τίτλος του "εφευρέτη" πηγαίνει σε αυτούς που αρχικά συναρμολόγησαν τα κομμάτια μαζί.

Πέντε χρόνια αργότερα η Franklin θα πέθαινε χωρίς ποτέ να ξέρει ότι οι Watson και Crick είχαν δει τη φωτογραφία 51 και τις μετρήσεις της για το κύτταρο, αν και πολλοί λένε ότι πρέπει να το είχε υποψιαστεί.

Πάντως, και ενώ έχουν περάσει πάνω από 40 χρόνια από τότε, η Franklin είναι σήμερα, σχεδόν, τόσο γνωστή όσο και οι Crick και Watson.

Έτσι προς αναγνώριση των εργασιών της, η Εθνική Πινακοθήκη στο Λονδίνο έχει τη φωτογραφία της παράλληλα με εκείνη του Watson και των δύο φυσικών με τους οποίους μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ του 1962 για τη φυσιολογία ή την ιατρική - τους Francis Crick και Maurice Wilkins. Επίσης υπάρχει κτήριο Franklin-Wilkins στο Βασιλικό Κολέγιο του Λονδίνου, ενώ η Βασιλική Εταιρεία ανήγγειλε πρόσφατα ένα βραβείο £30,000 στο όνομά της. Το Ινστιτούτο της Φυσικής έχει ακόμα ένα νέο δωμάτιο "Rosalind Franklin" στο Λονδίνο.

Πράγματι, όπως γράφει ο Robert Crease για το ζήτημα αυτό: "Είναι αδύνατο σήμερα να σκεφτεί κάποιος την ανακάλυψη του DNA, χωρίς να φέρει στο νου του την Rosalind Franklin."

Πειράματα με το DNA

Οι John Marko και Simona Cocco περιγράφουν τα πειράματα στα οποία οι φυσικοί μετρούν τις μηχανικές ιδιότητες των μορίων του DNA στο άρθρο τους The micromechanics of DNA.

Η γενετική κυρίως ενδιαφέρεται για διάταξη των τεσσάρων βάσεων - αδενίνη (A), κυτοσίνη (C), γουανίνη (G) και θυμίνη (T) - στο διπλό έλικα. Εντούτοις, οι διαδικασίες με τις οποίες τα κύτταρα αντιγράφουν και επισκευάζουν το DNA είναι ιδιαίτερα μηχανικής φύσης και η μελέτες τους απαιτούν διάφορες τεχνικές από τη φυσική. Και όσο εστιάζεται η προσοχή σε πιο σύνθετες δομές, όπως είναι οι αλληλεπιδράσεις ενζύμων - DNA, τα πειράματα θα γίνουν ακόμα πιo απαιτητικά.

Ο διπλός έλικας έχει μια διάμετρο 2 nm, έτσι δεν είναι εκπληκτικό ότι το DNA είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος για τους ερευνητές στη νανοτεχνολογία. Το γεγονός ότι η αδενίνη δεσμεύεται πάντα με τη θυμίνη, και η κυτοσίνη με τη γουανίνη, δίνουν επίσης στο DNA μια ενσωματωμένη "νοημοσύνη" όταν χρησιμοποιείται ως υλικό εφαρμοσμένης μηχανικής.

Όπως εξηγεί και ο Andrew Turberfield σε ένα άρθρο του, DNA as an engineering material, το DNA έχει χρησιμοποιηθεί ήδη ως μοριακή κόλλα και ως καύσιμο για 'τσιμπιδάκια' μορίων. Επιπλέον, πρόσφατα ένας "υπολογιστής DNA" έλυσε πιθανώς το μεγαλύτερο μαθηματικό πρόβλημα που μπήκε ποτέ σε μια μη ηλεκτρονική διάταξη.

Άλλοι δε φυσικοί έχουν εξερευνήσει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του DNA και τις χρήσεις του σαν πλαίσιο για τα,  στερεάς κατάστασης, λέιζερ. Το DNA ακόμη μπορεί να είναι ένας υπεραγωγός.

Φυσικά, υπάρχουν κι άλλες κοινές ιστορίες ανάμεσα στη φυσική και το DNA, που δεν αναφέρονται εδώ.

Αναφορά: PhysicsWorld