بازخواني داستان كشف مارپيچ دوتايي حل معماي زيست شناسي به روش شيمي فيزيك

واضح آرشیو وب فارسی:باشگاه خبرنگاران جوان: بازخواني داستان كشف مارپيچ دوتايي حل معماي زيست شناسي به روش شيمي فيزيك
حسن سالاري

در ميان يافته هاي علمي زيست شناسي، به كمتر يافته يي برمي خوريم كه به اندازه يافته «جيمز واتسون» و «فرانسيس كريك» (يعني كشف ساختار سه بعدي DNA) معروف باشد. اين كشف نتيجه كار پژوهشي آنان به تنهايي نبود، بلكه حاصل هم انديشي و كنار هم چيدن يافته هاي پژوهشگران ديگري بود كه به باور برخي از دانشمندان، نقش آنان در روشن شدن ساختمان سه بعدي DNA از «واتسون» و «كريك» پررنگ تر بود. در اين مقاله، فعاليت هاي پنج شخصيتي معرفي مي شود كه هر يك به شيوه يي در كشف مارپيچ دوتايي سهيم بوده اند. اين افراد عبارتند از؛

1- «فردريك مايشر»، پزشك سوئيسي كه اسيدنوكلئيك را كشف كرد و نشان داد اين ماده در هسته همه سلول ها وجود دارد.

2- «فوبوس لون»، پزشك و شيميدان روسي كه ساختمان شيميايي اسيدهاي نوكلئيك را معرفي كرد.

3- «اروين چارگاف»، شيميدان استراليايي كه مقدار بازهاي آلي را در DNA جانداران گوناگون سنجيد.

4- «لينوس پاولينگ»، شيميدان بزرگ امريكايي كه روي ساختمان پروتئين ها كار مي كرد.

5- «رزالين د. فرانكلين»، شيمي فيزيكدان انگليسي كه از بلور DNA عكس پراش پرتو ايكس تهيه كرد.

فردريك مايشر

«فردريك مايشر» (1895-1844) به سفارش پدرش وارد دانشكده پزشكي شد، اما به علت دشواري در شنيدن، نمي توانست با بيماران به خوبي ارتباط برقرار كند. از اين رو تصميم گرفت وارد عرصه پژوهش هاي پزشكي شود. وي در سال 1868 پژوهش هاي خود را زير نظر «فليكس هوپ سيلر» در دانشكده علوم طبيعي دانشگاه توبينگن آلمان آغاز كرد. در آن آزمايشگاه، هنگامي كه هنوز بسياري از دانشمندان در مفهوم «سلول» شك داشتند، برخي از مولكول هاي سازنده سلول ها استخراج شده بودند و پژوهش در زمينه شيمي بافت ها ادامه داشت.

بررسي شيميايي سلول هاي سفيد خون، به عنوان موضوع پژوهش هاي «مايشر» برگزيده شد. استخراج اين سلول ها از گره هاي لنفاوي بسيار دشوار بود، اما در زخم هاي چرك مقدار زيادي از آنها يافت مي شود. از اين رو، «مايشر» باندهاي آلوده را از بيمارستان محلي جمع آوري و با كمك محلولي از نمك، گلبول هاي سفيد را از آنها جدا مي كرد. «مايشر» در جريان يكي از آزمايش هايش، گلبول هاي سفيد را تحت تاثير عصاره معده خوك قرار داد. در آن زمان، دانشمندان مي دانستند اين عصاره، آنزيمي دارد كه باعث هضم پروتئين ها مي شود. امروزه آن آنزيم را با نام پپسين مي شناسيم. وي چگونگي اثر عصاره را بر اين سلول ها، به دقت زير ميكروسكوپ پيگيري كرد. وقتي عصاره معده، پروتئين هاي سفيد خون را تخريب كرد، او مشاهده كرد كه ساختار اين سلول ها از هم پاشيد، اما هسته آنها تا حدود زيادي سالم باقي ماند. به اين ترتيب، او هسته سلول ها را از سيتوپلاسم جدا كرد. در گام بعدي، هسته ها را تحت تاثير هيدروكسيد سديم قرار داد. افزودن اين محلول قليايي به ظرف حاوي هسته ها، باعث تشكيل رسوب سفيدرنگي شد كه تجزيه شيميايي آن نشان داد، كربن، هيدروژن، اكسيژن، نيتروژن و درصد زيادي فسفر، عنصرهاي سازنده آن هستند. پايداري در برابر عمل پپسين، چگونگي واكنش آن به حلال هاي متفاوت و درصد فسفر بالا باعث شد «مايشر» پيشنهاد كند، ماده غيرپروتئيني جديدي را كشف كرده است. وي اين ماده را نوكلئين به معناي «در هسته» ناميد.

«مايشر» آزمايش هاي مشابهي را روي اسپرم ماهي آزاد انجام داد. به طور كلي، هسته در همه اسپرم ها حجم زيادي از سلول را به خود اختصاص مي دهد. در اسپرم ماهي آزاد نيز بيش از 90 درصد حجم سلول، از هسته است. تلاش شبانه روزي اين پژوهشگر پركار به استخراج نوكلئين از اسپرم ماهي آزاد و اسپرم گونه هاي ديگر منجر شد. بررسي شيميايي نوكلئين استخراج شده از آن منابع، نتيجه پيشين را تاييد كرد. «مايشر» به راستي ماده جديدي كشف كرده بود كه به نظر مي رسيد در هسته همه سلول ها وجود دارد. آيا اين ماده نمي توانست ماده ژنتيك باشد؟

اگر نوكلئين ماده ژنتيك باشد، بايد مقدار آن در همه سلول هاي پيكري يكسان و در سلول هاي جنسي نصف سلول هاي پيكري باشد. «مايشر» براي بررسي اين فرضيه چند سال تلاش كرد و توانست مقدار نوكلئين را در هسته سلول هاي پيكري و جنسي تعيين كند. اما يك رويداد ناشي از بدشانسي باعث شد، او به اشتباه نوعي پروتئين را به عنوان ماده ژنتيك معرفي كند.

«مايشر» درصد فسفر بالا را معيار شناسايي نوكلئين قرار داده بود. در سيتوپلاسم سلول تخمك، پروتئيني به نام فسويتين هفت وجود دارد كه بر خلاف ديگر پروتئين ها، مقدار زيادي فسفر دارد. اين پروتئين كه در آن زمان كشف نشده بود، باعث شد «مايشر» مقدار نوكلئين موجود در تخمك را به درستي محاسبه نكند. از اين رو، نتيجه گرفت مقدار نوكلئين سلول تخمك و سلول اسپرم با هم برابر نيستند و بنابراين چنين مولكولي نمي تواند نقش ماده ژنتيك را بازي كند. «مايشر» پس از سال ها تلاش، در اثر سل جان باخت. دو عامل را دليل ابتلاي او به اين بيماري مي دانند؛ تماس با چرك باندهاي بيماران و فعاليت شبانه روزي در اتاق سردي كه براي استخراج نوكلئين لازم بود. در هر صورت، وي جان خويش را بر سر شناخت نوكلئين گذاشت.

فوبوس لون

«فوبوس لون» (1940-1869) فراگيري پزشكي را در روسيه آغاز كرد، اما به سبب كار در آزمايشگاه شيمي آلي، به زيست شيمي (بيوشيمي) علاقه مند شد. در سال 1829 آموزش پزشكي را در نيويورك به پايان رساند و با بزرگان شيمي از جمله «آلبرت كوسل» و «اميل فيشر» آشنا شد كه در زمينه اسيد نوكلئيك و پروتئين كار مي كردند. او در نتيجه پژوهش هاي فراوان، بيش از 700 مقاله درباره ساختمان شيميايي مولكول هاي زنده منتشر كرد، اما شهرت او بيشتر به سبب طرح تترانوكلئوتيدي است.

«لون» براساس پژوهش هاي خود و پژوهشگران پيشين به اين نتيجه رسيد كه نوكلئوتيدها واحد ساختماني اسيدهاي نوكلئيك هستند و اسيد نوكلئيكي كه «مايشر» كشف كرده بود، از نوع داكسي ريبونوكلئيك (DNA) است. هر نوكلئوتيد از يك نوع باز آلي، يك قند پنج كربنه و يك گروه فسفات تشكيل شده كه در شرايط طبيعي به صورت يونيزه و داراي بار منفي است. به علاوه او دريافت، نوكلئوتيدها از راه اتصال فسفودي استري به هم پيوند مي شوند.

«لون» براساس آزمايش هاي خود به اين نتيجه نادرست دست يافت كه اندازه چهار باز A، T، C و G در DNA برابر است. از اين رو، طرح تترانوكلئوتيدي را به عنوان ساختمان شيميايي DNA پيشنهاد كرد. براساس اين طرح، DNA مولكول درازي است كه از تكرار يك واحد تترانوكلئوتيدي (چهار نوكلئوتيدي) تشكيل شده است؛ يعني، به صورت زير؛

n(“ AGTC-AGTC-AGTC “)

روشن است كه چنين مولكول يكنواختي نمي تواند اطلاعات وراثتي گوناگون جاندارن را در خود اندوخته كند. به اين ترتيب، طرح تترانوكلئوتيدي «لون» از اين باور پشتيباني كرد كه با وجود حضور DNA در كروموزوم ها، اين مولكول نمي تواند ماده وراثتي باشد. البته، اين اشتباه نبايد نقشي را كه «لون» در شناخت ساختمان شيميايي DNA داشته است، از ياد ببرد.

اروين چارگاف

«اروين چارگاف» (1992-1929) در زمينه شيمي، پژوهش هاي گسترده يي انجام داد، اما بيشتر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهاي آلي در DNA مشهور است. وي و همكارانش به مدت هفت سال با روش كروماتوگرافي كاغذي، نسبت بازهاي آلي DNA را در جاندارن گوناگون و سلول هاي پيكري يك جاندار تعيين كردند و نتيجه گرفتند، مقدار بازها در DNA گونه هاي مختلف جانداران متفاوت است و با تغيير رژيم غذايي، تغيير شرايط محيطي يا افزايش سن جاندار، تغيير نمي كند. اما در تمام نمونه ها، مقدار A با مقدار T و مقدار C با مقدار G برابر است.

آزمايش هاي «چارگاف» نشان داد، نظريه تترانوكلئوتيدي «لون» درست نيست. نتيجه اين آزمايش ها، در روش ساختن ساختمان مولكولي DNA و چگونگي اندوخته شدن اطلاعات در آن، نقش مهمي داشتند. به هر حال، خود او نتوانست از آنها در اين زمينه بهره گيرد.

لينوس پاولينگ

روش پراش پرتوي ايكس نخستين بار براي بررسي بلور نمك طعام استفاده شد. «لينوس پاولينگ» شيميدان بزرگ، يكي از نخستين كساني بود كه با بهره گيري از اين روش تلاش كرد ساختمان سه بعدي پروتئين ها را روشن كند. وي در مجموعه مقاله هايي كه در سال هاي 1950 و 1951 انتشار داد، مارپيچ آلفا را مهم ترين ركن ساختمان سه بعدي پروتئين ها معرفي كرد. «پاولينگ» براي DNA نيز طرحي پيشنهاد كرد. در طرح او DNA از سه رشته مارپيچ تشكيل شده بود كه بازهاي آلي آن در بيرون و ستون هاي قند فسفات در درون مولكول قرار داشتند. به علاوه در طرح او گروه هاي فسفات به حالت يونيزه و داراي بار منفي نبودند و رشته ها از راه پيوندهاي هيدروژني با هم ارتباط داشتند كه بين گروه هاي فسفات برقرار شده بودند.

براساس آنچه از شيمي DNA مي دانيم، گروه هاي فسفات هميشه به حالت يونيزه و داراي بار منفي هستند و اين معما همچنان باقي است كه «پاولينگ» (برنده نوبل شيمي) چگونه چنين اشتباهي مرتكب شده است؟ با وجود اين، همان طور كه در ادامه مي آيد، شيوه پژوهشي او تاثير مهمي بر فعاليت هاي «واتسون» و «كريك» داشت.

رزالين فرانكلين

«رزالين فرانكلين» (1958-1920) در سال 1951 به همراه يكي از دانشجويان به نام «رايموند گوسلينگ» مجموعه يي از تصويرهاي پراش پرتوي ايكس با كيفيت بالا از بلور DNA تهيه كرد. او با استفاده از اين تصويرها توانست ابعاد DNA را محاسبه كند و به درستي نتيجه گرفت كه گروه هاي فسفات در بيرون مولكول DNA قرار دارند. به علاوه تشخيص داد DNA به دو شكل A و B وجود دارد و شكل راستين DNA همان شكل B است. تصويري كه او از بلور شكل B تهيه كرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدي DNA نقش بسزايي داشت. آن تصوير را «موريس ويلكينز» (با اجازه يا بدون اجازه فرانكلين) در اختيار «واتسون» و «كريك» قرار داده بود. («واتسون» در كتاب خود، كه با نام مارپيچ مضاعف در ايران منتشر شده است، به اين حقيقت اشاره كرده است.) «فرانكلين» در سال 1958 در اثر سرطان درگذشت. به نظر مي رسد كار بيش از اندازه با پرتو ايكس در ابتلاي او به سرطان موثر بوده است.

واتسون و كريك

در روزهاي پاياني سال 1951، «جيمز واتسون» (زيست شناس) و «فرانسيس كريك» (فيزيكدان) با هدف تعيين ساختمان مولكوليDNA همكاري خويش را آغاز كردند. آنان مي دانستند مولكول DNA از تعداد زيادي نوكلئوتيد تشكيل شده است كه به صورت خطي و با كمك اتصال هاي فسفودي استري كنار يكديگر قرار گرفته اند. از سوي ديگر در همين سال، «پاولينگ» مارپيچ آلفا را به عنوان مهم ترين ركن ساختمان سه بعدي پروتئين ها معرفي كرده بود. از اين رو نخستين طرح فرضي برايDNA در ذهن اين زوج علمي شكل گرفت.

DNA-1رشته يي دراز و مارپيچي شكل از واحدهايي به نام نوكلئوتيد است. در اين رشته، ستون قند فسفات بسيار منظم و ترتيب بازها بسيار نامنظم است.

وقتي آنان طرح فرضي خود را با «ويلكينز» در ميان گذاشتند، با اين پاسخ روبه رو شدند كه بر اساس تصويرهاي پراش پرتوي ايكس، قطر مولكول DNA بيش از آن است كه وجود تنها يك رشته پلي نوكلئوتيدي آن را توجيه كند. از اين رو، «كريك» پيشنهاد تازه يي را مطرح كرد.

2- مولكول DNA از چند رشته پلي نوكلئوتيدي تشكيل شده است كه به دور يكديگر پيچ خورده اند. آيا DNA مولكولي دورشته يي، سه رشته يي يا چهاررشته يي است؟ ارتباط اين رشته ها با يكديگر چگونه است؟ آيا به راستي مولكولDNA ساختمان مارپيچي دارد؟ پاسخ اين پرسش ها با اطلاعات كمي كه در اختيار «واتسون» و «كريك» بود، به دست نمي آمد. از اين رو از «ويلكينز» خواستند با آنان همكاري كند و تصوير پراش پرتوي ايكس بلور DNA را در اختيارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصوير پراش پرتوي ايكس DNA تصميم گرفتند همانند ديگر دانشمنداني كه به بررسي بلور مولكول ها مي پرداختند، با استفاده از سيم و تكه هاي حلب، طرح فرضي DNA را بسازند. تفسير تصويرهاي پراش بلورها به محاسبه پيچيده يي نياز دارد. در آن زمان هنوز رايانه وارد آزمايشگاه هاي بلورشناسي نشده بود. از اين رو بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندكي كه از تصويرهاي پراش پرتو ايكس به دست مي آوردند، طرح هاي فرضي مولكول ها را مي ساختند. سپس با انجام محاسبه هايي الگوي پراش فرضي اين طرح هاي ساختگي را تعيين مي كردند. سرانجام، پراش فرضي با پراش بلور مقايسه و ساختمان سه بعدي مولكول مورد نظر پيش بيني مي شد. براي مثال وجود تقارن و نظم در تصوير پراش بلور، نشان دهنده نظم و تكرار واحدهاي سازنده مولكول هاي بلور است. بنابراين، طرح ساخته شده بايد داراي نظم و واحدهاي تكرار شونده باشد.

«واتسون» و «كريك» با فرض اينكه ستون قند فسفات در مركز و بازهاي حلقوي در بيرون مولكول DNA قرار دارند، به ساختن نخستين طرح براي DNA مشغول شدند. براساس اين طرح؛

DNA-3از دو رشته پلي نوكلئوتيدي تشكيل شده است. اين رشته ها با پل هاي نمكي به هم مربوط مي شوند كه در آنها كاتيون هاي دو ظرفيتي مانند Mg2+ و گروه هاي فسفات داراي بار منفي شركت دارند.

آنان پس از پايان كار، از «ويلكينز» و «فرانكلين» دعوت كردند، طرح شان را بررسي كنند. وقتي آنان مساله يون هاي Mg2+ را مطرح كردند كه دو رشته را كنار يكديگر نگه مي دارند، با اعتراض شديد «فرانكلين» روبه رو شدند. «فرانكلين» پافشاري كرد كه يون هاي Mg2+ را پوسته هايي از مولكول هاي آب دربرمي گيرند و بسيار دور از ذهن است كه ميخ محكمي براي نگه داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او اين بود كه ستون قند و فسفات در بيرون قرار دارد. به اين ترتيب، مولكول هاي آب، طرح دو رشته يي «واتسون» و «كريك» را فروريختند. مدت ها از اين ماجرا گذشت، بدون آن كه«واتسون» و «كريك» به موفقيت چشمگيري دست پيدا كنند. تا اينكه باخبر شدند، «پاولينگ» براي ساختمان سه بعدي DNA طرحي پيشنهاد كرده است. اما همان طور كه گفته شد، طرح مارپيچ سه رشته يي «پاولينگ» از نظر شيميايي نادرست بود. مدتي بعد، در ديداري كه اين زوج علمي با «ويلكينز» داشتند، با تصوير تازه يي از بلور DNA روبه رو شدند كه از تصويرهاي پيشين ساده تر بود. آن تصوير را كه مربوط به شكل B بود، «فرانكلين» تهيه كرده بود. «ويلكينز» به آنان گفت آن تصوير از بلوري تهيه شده كه مقدار زيادي آب داشته است و تصوير پيشين كه آن دو روي آن كار مي كرده اند، از مولكولي بوده كه آب خود را از دست داده بوده است. «كريك» به كمك «ويلكينز» آن تصوير را با معادله هاي رياضي بررسي كرد تا اطلاعات زير به دست آمد؛

1- تصوير پراش بسيار منظم است. بنابراين ساختمان مولكولي DNA بايد بسيار منظم و قطر آن در همه مولكول ثابت باشد.

2- نقش ضربدري كه در تصوير مشاهده مي شود، از مارپيچ بودن مولكول DNA حكايت مي كند و زاويه بين بازوي ضربدر و خط افق با زاويه پيچش DNA برابر است.

3- در تصوير پراش، نقطه هايي كه فاصله زيادي از هم دارند، در واقع فاصله اندكي از يكديگر دارند و برعكس. با در نظر گرفتن اين قاعده كه معادله هاي پيچيده رياضي آن را تاييد مي كند، فاصله بين مركز و محيط تصوير پراش، حدود 34 انگستروم و فاصله بين هر رديف از نقطه هاي سياه با رديف بعدي حدود 34 انگستروم محاسبه مي شود. بنابراين، فاصله هر جفت باز با جفت باز ديگر حدود 4/3 انگستروم و فاصله عمودي يك دور كامل مارپيچ DNA ، حدود 34 انگستروم خواهد بود. در اين صورت، در هر دور مارپيچ DNA حدود 10 جفت باز آلي جاي مي گيرد.

سرانجام «واتسون» و «كريك» با درنظر گرفتن اين اطلاعات و نتيجه آزمايش هاي «چارگاف» توانستند به بزرگ ترين كشف زيست شناسي مولكولي دست يابند و به همراه «ويلكينز»، جايزه نوبل 1962 را از آن خود كنند.

سخن پاياني

كشف مارپيچ دوتايي، نمونه خوبي از نقش و تاثير دانشمندان رشته هاي گوناگون علوم، در حل يك مساله است. بدون شناختن ويژگي هاي فيزيكي و شيمياييDNA ، زيست شناسان هرگز نمي توانستند به اين كشف مهم دست پيدا كنند. جالب اينكه در اين كشف نقش شيميدانان و فيزيكدانان از زيست شناسان پررنگ تر بود.
دوشنبه 4 شهريور 1387

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: باشگاه خبرنگاران جوان]

[مشاهده در: www.yjc.ir]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 276]