Molekula DNA má tvar zkrouceného žebříku

Studijní text Animace Galerie Video BIO Úkol Odkazy a literatura

Dřívější práce ukázaly, že DNA je tvořena stavebními kameny zvanými nukleotidy, které se skládají z deoxyribózy, fosfátové skupiny a jedné ze čtyř dusíkatých bází: adeninu (A), tyminu (T), guaninu (G) a cytosinu (C). Fosfáty a cukry přilehlých nukleotidů se spojují do dlouhého polymeru. Další klíčové pokusy ukázaly, že poměry A:T a G:C jsou stálé ve všech živých organismech. Rentgenová krystalografie poskytla finální vodítko k tomu, že molekula DNA je dvoušroubovice, mající tvar zakrouceného žebříku.

V roce 1953 v závodě o určení toho, jak jsou tyto části složeny do 3D struktury, zvítězili James Watson a Francis Crick v Cavendish Laboratory v Cambridgi, v Anglii. Ukázali, že střídající se deoxyribózy a fosfáty vytváří postranní zakroucené části DNA žebříku. Příčky žebříku tvoří komplementární páry dusíkatých bází — A se vždy páruje s T a G se vždy páruje s C.

Věděli jste, že?

Když navštívil Erwin Chargaff v roce 1952 Cambridge, potkal se s Watsonem a Crickem. Dvojice na Chargraffa neudělala dojem, zvláště potom, když Crick přiznal, že nezná chemickou strukturu dusíkatých bází.

Hmmm…

Watson a Crick ve svém článku z roku 1953 dospěli k závěru, že párování bází v jejich šroubovicovém modelu DNA „představuje možný mechanismus pro kopírování genetického materiálu“. Co může být tímto mechanismem?

Galerie

Věděli jste, že?

Kdyby Erwin Chargaff použil E. coli jako zdroj DNA, potvrdil by Levenovu tetranukleotidovou teorii. E. coli má téměř stejné množství všech čtyř nukleotidů.

Hmm…

Proč je DNA dvouvláknová? Nebyl by jednodušší přístup ke genetické informaci, kdyby byla DNA pouze jednovláknová?

Video

Videa v této kapitole jsou v původním anglickém znění.

James Dewey Watson James Watson je emeritním předsedou v Cold Spring Harbor Laboratory. V roce 1953 on a Francis Crick objevili 3-D strukturu DNA. Dr. Watson se dlouhodobě zabývá podporou genetiky ve vzdělávání a je hlavním iniciátorem projektu DNA From The Beginning.

James Watson a Francis Crick objevili strukturu DNA. K tomuto objevu přispěli také další vědci, jako byla Rosalinda Franklinová a Maurice Wilkins.

James Watson (1928–)

James Dewey Watson se narodil v Chicagu. Byl bystrým a zvídavým dítětem. Jedním z jeho oblíbených slov bylo „proč?“, a navíc nikdy nebyl spokojen s jednoduchou odpovědí. Mnoho vědomostí získal čtením knih a také vyhrál 100 dolarů v populárním rádiovém pořadu „Quiz Kid“. Vyhrané peníze použil ke koupení dalekohledu k pozorování ptáků, což byl oblíbený koníček i jeho otce.

Watson vstoupil na univerzitu (University of Chicago) již v 15 letech v rámci programu pro talentovanou mládež. Vedlo se mu v předmětech, které ho bavily, jako byla biologie a zoologie, avšak už ne tak dobře v ostatních předmětech. Rozhodl se, že svá studia zaměří na to, aby se stal kurátorem ornitologických sbírek v Přírodovědeckém muzeu.

Během svého posledního ročníku studia v Chicagu si Watson přečetl knihu Erwina Schrödingera: „What is Life? The Physical Aspect of the Living Cell“ („Co je život? Fyzikální aspekty živé buňky“). Byl okouzlen myšlenkou, že v genech a chromozomech je skryto tajemství života. Když odešel se Salvadorem Luriou, průkopníkem ve výzkumu bakteriofágů, na Indiana University získat doktorát, zdálo se to jako perfektní příležitost, aby mohl pracovat na některém z těchto problémů.

Po dokončení doktorského studia v roce 1950 strávil Watson nějaký čas v Evropě, nejprve v Kodani a poté v Cavendish Laboratory na Cambridgské universitě. V té době Watson již věděl, že DNA je klíčem k porozumění života a byl rozhodnut přijít na její strukturu. Měl štěstí, že sdílel kancelář s Francisem Crickem, doktorským studentem, který byl taktéž zaujat zkoumáním struktury DNA. Ačkoliv měli oba pracovat na jiných projektech, v roce 1953 zkonstruovali skutečný model DNA, což představovalo jeden z největších vědeckých pokroků všech dob.

V roce 1962 Watson získal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu společně s Francisem Crickem a Mauricem Wilkinsem, který s Rosallindou Franklinovou poskytl data, na kterých byl objev struktury DNA založen. Watson napsal knihu „The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA“ („Dvoušroubovice: osobní popis objevu struktury DNA“), která byla vydána v roce 1968. Tato kniha byla první svého druhu, jelikož byla popisem vnitřní práce vědeckého světa s prvky drbů a klevet, a která se vydává až do dnešní doby.

V roce 1956 přijal Watson místo na Oddělení biologie na Harvardské univerzitě, kde se zaměřil na výzkum RNA a její role v přenosu genetické informace. Ačkoliv byl až do roku 1976 členem Harvardské fakulty, převzal Watson v roce 1968 ředitelování v Cold Spring Harbor Laboratory.

Watson byl ve spojení s Cold Spring Harbor Laboratory již po dlouhou dobu. Salvador Luria a Max Delbrück učili o fágové genetice na populárních letních kempech a během svého studia si Watson tyto kempy pro vědce užíval. Watson udělal z Cold Spring Harbor Laboratory jedno z předních výzkumných zařízení zabývajících se rakovinou, neurobiologií a základy molekulární genetiky. Watson odešel do důchodu z místa prezidenta Cold Spring Harbor Laboratory v roce 2004 a nyní je jejím emeritním předsedou.

Watson hrál důležitou roli ve vývoji vědeckých přístupů, od vyhlášení války rakovině, přes debaty o použití rekombinantní DNA, až po prosazování projektu mapování genomu člověka (Human Genome Project). Od roku 1988 do roku 1992 vedl v Národním institutu zdraví (National Institutes of Health) projekt mapování genomu člověka, přestože byl stále ředitelem Cold Spring Harbor Laboratory.

Jedním z jeho hlavních zájmů je vzdělávání. Jeho první učebnice „Molecular Biology of the Gene„ (Molekulární biologie genu) položila nové standardy pro učebnice biologie. Po ní pak následovaly další učebnice „Molecular Biology of the Cell“ a „Recombinant DNA“ (Molekulární biologie buňky a Rekombinantní DNA). Watson aktivně zkoumá způsoby multimediálního vzdělávání a možnosti internetu a uplatňuje je zejména prostřednictvím projektů, které jsou vyvíjeny v DNA Learning Centre, která je vzdělávací součásti Cold Spring Harbor Laboratory. Byl a je jedním z hlavních motivátorů projektu „DNA From The Beginning“.

Watson je popisován mnohými jako brilantní, přímočarý a výstřední. Energií ho nabíjí inteligentní lidé a nestrpí hlupáky. Watson je již od svých studií na univerzitě až dodnes zaníceným tenistou. Snaží se hrát tenis každý den.

Francis Crick (1916–2004)

Francis Harry Compton Crick se narodil v malém městě blízko Northamptonu, v Anglii. Jako dítě byl Crick velice zvídavý a přečetl všechny svazky Dětské encyklopedie, které mu rodiče koupili. Nejvíce zajímavé mu přišly oddíly zabývající se vědou. Tento zájem ho přivedl k domácím pokusům a posléze k již serióznímu studiu a získání Čestného titulu druhé třídy z fyziky na University College v Londýně.

Fyzika, kterou se Crick učil ve škole, již byla překonána, tudíž se sám vzdělával v základech kvantové mechaniky v průběhu svého doktorského výzkumu, ve kterém se zabýval viskozitou vody. Druhá světová válka jeho studia přerušila. Během války Crick pracoval pro námořní velitelství a prováděl výzkum a návrh magnetických a akustických min.

Když válka skončila, pokračoval Crick v práci pro námořní velitelství, ale věděl, že nechce po zbytek života navrhovat bomby. Problémem však bylo, že si nebyl jistý, co by chtěl dělat konkrétně. Nakonec se rozhodl věnovat se přírodním vědám. Rád četl, přemýšlel a povídal si o nových objevech na poli přírodních věd. Crick zjistil, „že to, co Tě nejvíce zajímá, je to, o čem nejvíce klábosíš“. Aby se mohl věnovat svému zájmu, navštívil několik laboratoří a vědců. Nakonec se usadil na dva roky v Strangeways Laboratory, kde se zabýval účinky magnetismu na fibroblastové buňky kuřat.

V roce 1947, vyzbrojen biologickými zkušenostmi se Crick připojil k Maxovi Perutzovi v Cavendish Laboratory v Cambridgi. Sir Lawrence Bragg řídil nové oddělení laboratoře, kde se používaly rentgenové paprsky ke studiu struktury proteinů pomocí krystalografie. Max Perutz pracoval na struktuře hemoglobinu a Crickova diplomová práce se zabývala rentgenovou difrakcí proteinů.

V roce 1951 potkal Francis Crick Jamese Watsona, který byl právě na návštěvě Cambridge. Přestože byl Crick o dvanáct let starší, okamžitě se spřátelili. Watson nakonec zůstal v Cavendish, kde spolu s Crickem s použitím dostupných rentgenových dat sestrojili model a rozluštili strukturu DNA. Památný článek vyšel v Nature v dubnu 1953. O pořadí jmen autorů článku přitom rozhodli náhodným hodem mincí. V roce 1962 nakonec Francis Crick, James Watson a Maurice Wilkins společně získali Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za vyřešení struktury DNA. Maurice Wilkins a Rosalinda Franklinová poskytli některá rentgenová krystalografická data.

Po vytvoření dvoušroubovicového modelu však zde byla stále otázka, jak DNA řídí syntézu proteinů. Crick a někteří z jeho kolegů, včetně Jamese Watsona, byli členy neformálního “RNA tie club“, jehož úkolem bylo „vyřešení hádanky, jaká je struktura RNA a pochopení mechanizmu tvorby proteinů“. Klub se soustředil na “centrální dogma“, ve kterém DNA byla nositelkou genetické informace a RNA jakýmsi mostem, který přenášel tuto informaci z jádra do cytoplazmy, kde se proteiny vytváří. Intenzivně probíhaly také debaty a diskuze o teorii kódující RNA. V roce 1961 Francis Crick a Sydney Brenner předložili genetický důkaz, že se při čtení genetického materiálu používá tripletový kód.

Po většinu své kariéry pracoval Crick v Cambridgi pro Medical Research Council. V roce 1976 přešel Crick do Salk Institute v La Jolla, kde se zaměřil na výzkum vývojové neurobiologie. V roce 1988 sepsal své zkušenosti v knize „What Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery“. Crick byl popisován jako člověk bystrého intelektu a suchého britského humoru.

Rosalind Franklinová (1920–1958)

Rosalind Elsie Franklinová se narodila v Londýně, v Anglii. Její rodina byla dobře zajištěná a obě dvě strany rodiny se zapojovaly do společenské a veřejné činnosti. Otec Franklinové se chtěl stát vědcem, ale 1. světová válka zkrátila jeho vzdělání a místo toho se stal učitelem na vyšší odborné škole. Rosalinda Franklinová byla velmi inteligentní a ve svých 15 letech již byla rozhodnuta, že chce být vědkyní. Její otec ji hodně zrazoval od jejího rozhodnutí, jelikož tehdy bylo pro ženu velice těžké dosáhnout takovéto kariéry. Nicméně díky svému skvělému vzdělání ze St. Paul's Girls' School, jedné z mála institucí, ve které v té době vyučovali fyziku a chemii i pro dívky, mohla Franklinová vstoupit v roce 1938 na Cambridgskou univerzitu, aby zde studovala chemii.

Po promoci získala vědecké stipendium pro vypracování diplomové práce. Strávila jeden rok v laboratoři R.G.W. Norrishe, avšak bez valného úspěchu. Norrish sice viděl potenciál Franklinové, avšak moc ji jako svoji studentku nepovzbuzoval a nepodporoval. Když jí bylo nabídnuto úřední místo výzkumného asistenta v British Coal Utilization Research Association (CURA), vzdala se Franklinová stipendia a tuto práci přijala.

CURA byla mladá organizace a vyznačovala se menším množstvím formalit z hlediska způsobu provádění výzkumů. Franklinová pracovala poměrně nezávisle, což jí vyhovovalo. Pro CURA pracovala do roku 1947 a publikovala množství článků týkající se fyzikální struktury uhlí.

Další kariérní posun přivedl Franklinovou do Paříže. Starý přítel jí představil Marcelu Mathieuovi, který řídil většinu bádání ve Francii. Byl zaujat prací Franklinové a nabídl jí místo výzkumníka v Laboratoire Central des Services Chimiques de l'Etat. Zde se naučila od Jacquese Meringa techniku rentgenové difrakce.

V roce 1951 bylo Franklinové nabídnuto tříleté výzkumné stipendium na King's College v Londýně. Se svými znalostmi měla Franklinová za úkol zřídit a vylepšit oddělení rentgenové krystalografie. Maurice Wilkins v té době již používal v King´s College rentgenovou krystalografii ke zjištění struktury DNA. Franklinová přijela v době, kdy byl Wilkins pryč, a když se vrátil, předpokládal, že Franklinová byla najata jen jako jeho asistentka. Byl to špatný začátek vztahu mezi nimi, který se pak už nikdy nezlepšil. Během práce se studentem Raymondem Goslingem byla Franklinová schopná získat dvě sady fotografií krystalizovaných vláken DNA ve vysokém rozlišení. Použila dvě rozdílná vlákna DNA, jedno bylo více hydratované oproti tomu druhému. Z tohoto odvodila základní rozměry DNA řetězců a také to, že se fosfáty nachází na vnějšku něčeho, co připomíná šroubovicovou strukturu.

Představila svá data na přednášce v King's College, kterou navštívil i James Watson. Ve své knize „The Double Helix“ („Dvoušroubovice“) Watson přiznává, že při přednášce Franklinové nedával pozor a že pak nebyl schopný přednášku a její výsledky Francisi Crickovi úplně popsat.

Watson a Crick pracovali v Cavendish Laboratory na vyluštění struktury DNA. Franklinová neznala Watsona a Cricka tak dobře jako Wilkins a nikdy s nimi ve skutečnosti nespolupracovala. Byl to Wilkins, která ukázal Watsonovi a Crickovi rentgenová data získaná Franklinovou. Tyto údaje potvrdili 3D strukturu, kterou Watson a Crick navrhli jako teoretickou strukturu DNA. V roce 1953 Wilkins s Franklinovou publikovali své články popisující výsledky rentgenografické analýzy ve stejném čísle časopisu Nature jako Watson a Crick svůj článek pojednávající o struktuře DNA.

Franklinová v roce 1953 z Cambridge odešla do The Birkbeck lab, aby pracovala na struktuře viru tabákové mozaiky. O tomto tématu publikovala velké množství článků a v této době, kdy onemocněla rakovinou, udělala velké množství práce. Na rakovinu zemřela v roce 1958.

V roce 1962 byla udělena za vyřešení struktury DNA Nobelova cena za fyziologii a medicínu Jamesi Watsonovi, Francisi Crickovi a Maurici Wilkinsovi. Franklinová cenu nezískala, protože Nobelova cena se posmrtně neuděluje.

Maurice Wilkins (1916–2004)

Maurice Hugh Frederick Wilkins se narodil ve městě Pongaroa na Novém Zélandě. Jeho otec byl doktor a kvůli tomu, aby se mohl věnovat preventivní medicíně, přestěhoval se s rodinou do Anglie, když bylo Wilkinsovi šest let. Wilkins věřil, že díky prvním rokům života na Novém Zélandu měl průzkumnickou a dobrodružnou povahu novozélandských osadníků, tedy znaky, které se ukázaly užitečné během jeho budoucí vědecké kariéry.

V roce 1938 Wilkins promoval s titulem z fyziky na St. John's college v Cambridge. Jelikož byla Anglie ve válce, byla zde velká poptávka po vědcích a to zvláště po fyzicích. Wilkins pracoval s Johnem Randallem na univerzitě v Birminghamu na zlepšování radaru. Za tento výzkum získal v roce 1940 titul Ph.D. a některé z Wilkinsových vylepšení se stále používají v radarech dodnes.

V roce 1943 se oddělení fyziky včetně Wilkinse přestěhovalo do Berkeley v Kalifornii, kde se pracovalo na projektu Manhattan. V té době bylo vše součástí válečného úsilí. Nicméně po zničujících účincích atomové bomby v Hiroshimě a Nagasaki se z Wilkinse stal odpůrce nukleárních zbraní a byl jím stále až do své smrti.

Po válce byl Wilkins najat jako lektor fyziky na St. Andrews' University. Zde se znovu setkal s Johnem Randallem, v té době již Sirem Johnem, který chtěl využít fyziku ke studiu biologických otázek. Randallovi byla nabídnuta plná profesura na King`s College v Londýně. Zde založil společně s Wilkinsem, jako jedním ze členů „The Medical Research Council Biophysics Research Unit“, biofyzikální laboratoř.

Wilkins studoval molekulu DNA a viry, k čemuž používal různé druhy mikroskopů a spektrofotometrů. Nakonec začal používat k získání obrazů molekul DNA rentgenové paprsky. Rentgenové difrakční obrazy, které vytvořili s Rosalindou Franklinovou a Raymondem Goslingem přivedly Jamese Watsona a Francise Cricka k vytvoření trojrozměrné šroubovicové struktury DNA. Wilkins dostal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za rok 1962 spolu s Watsonem a Crickem.

Wilkins získal roku 1962 čestný titul „Companion of the British Empire“ a získal také za svoji práci různé ceny a ocenění. Sbíral sochy a rád zahradničil.

Věděli jste, že?

DNA byla poprvé připravena v krystalizované podobě až na konci 70. let – připomeňme si, že rentgenová data pocházela z DNA vláken. Tedy opravdový důkaz Watsonova a Crickova modelu DNA přichází až roku 1982 poté, kdy byla B-forma DNA krystalizována a získán její rentgenový obraz.

Hmmm…

Kdyby se DNA z jedné lidské buňky natáhla, byla by skoro 6 stop dlouhá (asi 183 cm) a obsahovala by tři miliardy párů bází. Jak se toto všechno může vejít do jádra jedné buňky?

Odkazy a literatura

RasMol a Chime – programy pro vizualizaci molekul
Velmi doporučujeme. Když si stáhnete a nainstalujte Chime plugin, můžete se podívat na DNA tak, jak jste ji ještě předtím neviděli. Chime je program, který vám umožní otáčet, pohybovat a dívat se na molekuly z různých stran přímo ve vašem webovém prohlížeči. Zdroje poznání
Součástí je archiv s oblíbenými výukovými aktivitami, které zaslali středoškolští učitelé biologie a přírodních věd. K dispozici je také přepis rozhovoru s Dr. Francisem Crickem. LionBook
Vytvořeno autory Biology, the Living Science. Na webu je k přečtení článek Watsona a Cricka: „A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid“ a také čtenářův průvodce ke knize Jamese D. Watsona „The Double Helix“. Jsou zde také zajímavé eseje týkající se vědeckého výzkumu. O krystalografii
Stránka laboratoře Dr. Bernhard Ruppa v Lawrence Livermore National Laboratory. Součástí jsou i tutoriály k rentgenové krystalografii. Levotočivá DNA – síň slávy / zeď hanby
Tato stránka je spravována Tomem Schneiderem z the National Institutes of Health. Jak říká: „ mnoho umělců překroutí obraz a prohodí otočku (z pravotočivé na levotočivou). Tato chyba se stala tak všudypřítomná, že ji dělají dokonce i velmi známí vědci, velké vědecké časopisy a instituce“. Jeho stránka obsahuje sbírku takovýchto chyb.

• Baldwin, Joyce, 1994, DNA Pioneer: James Watson and the Double Helix, Walker and Company, New York.
• Crick, Francis, 1988, What Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery, Basic Books, Inc., New York.
• Dunn, L.C., 1991, A Short History of Genetics: The Development of Some of the Main Lines of Thought: 1864-1939, Iowa State University Press, Ames.
• Judson, Horace Freeland, 1979, The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology, Simon and Schuster, New York.
• Lagerkvist, Ulf, 1998, DNA Pioneers and Their Legacy, Yale University Press, New Haven.
• Morange, Michel, 1998, A History of Molecular Biology, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts.
• Nobel Lectures in Molecular Biology 1933-1975, 1977, Elsevier North-Holland, Inc., New York.
• Olby, Robert, 1974, The Path to the Double Helix: The Discovery of DNA, Dover Publications, Inc., New York.
• Portugal, Franklin H., and Cohen, Jack S., 1977, A Century of DNA: A History of the Structure and Function of the Genetic Substance, The Massachusetts Institute of Technology, U. S. A.
• Rosenfield, Israel, Ziff, Edward, and Van Loon, Borin, 1983, DNA for Beginners, Writers and Readers Publishing, Inc.
• Sayre, Anne, 1975, Rosalind Franklin & DNA, W. W. Norton and Company, New York, New York.
• Stubbe, Hans, 1972 (English Translation), History of Genetics, The Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts.
• Sturtevant, A. H., 1965, A History of Genetics, Harper & Row, Publishers, New York.
• Sweeny, Brian, ed. 1999, Maurice Wilkins, DNA Enabler, The New Zealand Edge, NZEDGE.COM, 2000.
• Taylor, J. Herbert, 1965, Selected Papers on Molecular Genetics, Academic Press, New York.
• Watson, James D., 1987, Molecular Biology of the Gene, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., Menlo Park, California.
• Watson, James D., 1980, The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA, W.W. Norton & Company, New York.

RNDr. Pavel Lízal, Ph.D., Mgr. Zuzana Hanzelková a kolektiv |
ÚEB, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita |
Mendelovo muzeum, Masarykova univerzita |
Návrat na úvodní stránku webu, přístupnost |

| Technická spolupráce:
| Servisní středisko pro e-learning na MU
| Fakulta informatiky Masarykovy univerzity, 2013

Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení | CZ.1.07/2.2.00/28.0041

Nahoru