Zaczęło się od brudnych bandaży. Historia odkrycia kwasów nukleinowych

Kiedy mówimy „DNA”, mamy na myśli geny, dziedziczenie, testy ojcostwa, diagnostykę chorób rzadkich, medycynę spersonalizowaną, a nawet kryminalistykę. Przypadkowe odkrycie szwajcarskiego lekarza uruchomiło lawinę, która doprowadziła do rozwoju genetyki, diagnostyki molekularnej i medycyny XXI wieku. Początkiem rewolucji były… zużyte bandaże wyrzucone do śmieci.

Johann Friedrich Miescher zaczynał swoją karierę od studiów medycznych w Bazylei, ale z powodu problemów ze słuchem i braku zamiłowania do praktyki lekarskiej został naukowcem. Po studiach trafił do Tybingi do zespołu Felixa Hoppe-Seylera, jednego z pionierów biochemii.

Ropa na bandażach

W 1869 roku młody naukowiec postanowił poszukać odpowiedzi na pytania dotyczące  dziedziczenia. Zajął się leukocytami, czyli białymi krwinkami, ponieważ bardzo łatwo dało się wyodrębnić do badań ich jądra komórkowe. Wybór był korzystny także ze względów finansowych, bo materiał badawczy pozyskiwał z ropy wypłukiwanej ze zużytych, szpitalnych bandaży. Choć brzmi to nieco makabrycznie, w XIX-wiecznym laboratorium był to po prostu łatwo dostępny, bogaty w leukocyty surowiec.

Miescher  bardzo szybko zaobserwował, że w  izolowanych jądrach komórek jest coś, co nie zachowuje się jak białko. Trafił na substancję, która wytrącała się w kwaśnym środowisku, była bogata w fosfor i nie była podobna do żadnej innej struktury komórkowej, jakie wówczas opisywano. Nazwał ją „nukleiną”, bo kojarzyła się z jądrem komórkowym (łac. nucleus).

Choć opublikował wyniki swoich badań, przez długi czas „nukleina” pozostawała naukową ciekawostką. W jego czasach nauka była przekonana, że najważniejsze funkcje w organizmie pełni białko, nie było ani narzędzi, ani pomysłów, w jaki sposób udowodnić, że ta substancja niesie informację o budowie organizmu.

Cała wiedza w jednej komórce

Ten sposób myślenia zaczął się zmieniać prawie sto lat później. Symbolicznego przełomu dokonał eksperyment Alfreda Hershey’a i Marthy Chase, pracujących w Cold Spring Harbor Laboratory w stanie Nowy Jork z  1952 roku, który pokazał, że w przypadku bakteriofagów, czyli wirusów infekujących bakterie, to DNA, a nie białko, wchodzi do komórki i niesie informację potrzebną do produkcji kolejnych wirusów. Okazało się, że cząsteczka, którą znano już od 1869 roku, jest właśnie nośnikiem dziedziczenia.

Model DNA z 1953 roku, fot. Science & Society Picture Library / Getty Images

Kwasy nukleinowe to cząsteczki, które przechowują i obsługują informacje potrzebne do życia. Najważniejsze z nich to DNA i RNA. DNA można porównać do instrukcji obsługi organizmu albo do ogromnej książki kucharskiej, w której zapisano wszystkie przepisy. To ono zawiera informację, jak mają wyglądać białka i jak komórka ma działać. RNA pełni rolę pośrednika i wykonawcy. Odczytuje informacje zapisane w DNA i pomaga zamienić je w działanie. Dzięki nim komórka wie, jakie białka ma produkować i kiedy ma to robić.

DNA nazywamy kwasem, bo ma naturalną skłonność do oddawania wodoru i przez to w komórce niesie ładunek ujemny. To właśnie ten ładunek sprawia, że DNA łatwo łączy się z odpowiednimi białkami i może być ciasno „zwinięte”. Gdyby nie ta cecha, materiał genetyczny po prostu nie zmieściłby się w komórce.

Co naprawdę „robi” RNA

W 1953 roku James Watson i Francis Crick opisali strukturę DNA jako podwójną helisę, która odpowiada za mechanizm kopiowania i dowiedli, że jeśli zasady dobierają się w pary, to każda nić może być matrycą do odtworzenia drugiej. Dziewięć lat później, w 1962 roku, naukowcy ci dostali Nagrodę Nobla „za odkrycia dotyczące struktury molekularnej kwasów nukleinowych i jej znaczenia dla transferu informacji w materiale żywym”. Brzmi ogólnikowo, ale jest to fundamentalna zmiana sposobu myślenia o życiu.

Przez trzy kolejne dekady naukowcy trzymali się wersji, że w komórce role są jasno podzielone: kwasy nukleinowe przechowują informację, a białkom przypisywano zdolność przyspieszania reakcji, czyli katalizowania procesów niezbędnych do życia. Tym większym zaskoczeniem było odkrycie, że RNA potrafi robić dokładnie to samo.

Pod koniec lat 70. i na początku 80. XX wieku Thomas Cech i Sidney Altman niezależnie od siebie pokazali, że niektóre cząsteczki RNA mogą działać jak enzymy bez udziału białek. Dla biologii był to moment przełomowy. Oznaczał, że kwasy nukleinowe nie są wyłącznie biernym nośnikiem informacji, lecz aktywnymi narzędziami działającymi w komórce. RNA nie tylko przenosi instrukcje, ale potrafi je także modyfikować, regulować i kontrolować.

Od bandaży do szczepionek

To odkrycie zmieniło sposób, w jaki myślimy o funkcjonowaniu życia na poziomie komórkowym. Kwasy nukleinowe są dziś podstawą testów wykrywających zmiany genetyczne w chorobach rzadkich, podstawą badań nowotworów i identyfikacji patogenów. Wiedza o DNA jest więc fundamentem współczesnych technologii medycznych: diagnostyki molekularnej, terapii opartych na RNA czy szczepionek mRNA.

Kariera kwasów nukleinowych, zapoczątkowana przypadkowym odkryciem w XIX-wiecznym laboratorium, weszła dzięki temu w zupełnie nowy etap, który cały czas trwa. W ostatnich dekadach wyzwaniem dla genetyków jest poszukiwanie sposobów „naprawiania genów” i celowanych terapii. Nadzieją dla nauki jest też wykorzystanie do analizowania DNA sztucznej inteligencji.