گذری بر تاریخ کشف ماده وراثتی

فردیک میشر friedrich miescher

فردریک میشر به سفارش پدر خود وارد دانشگاه پزشکی شد.اما به دلیل دشواری در شنیدن نمی‏توانست به درستی با بیماران ارتباط برقرار کند.از این رو تصمیم گرفت وارد عرضه‏ی پژوهش‏های پزشکی شود.وی در سال 1868پژوهش خود را زیر نظر (فلیکس هوپ سیلر) در دانشگاه علوم طبیعی توبینکن آلمان آغاز کرد.بررسی گلبول‏های سفید خون به عنوان موضوع پژوهش‏های میشر انتخاب شد.استخراج این سلول‏ها از گره‏های لنفاوی بسیار دشوار بود.اما در زخم‏های چرک مقدار زیادی از آنها می‏شود.از این رو میشر باند‏های آلوده را از بیمارستان‏محلی جمع آوری و باکمک محلولی از نمک گلبول‏های سفید را از آنها جدا کرد.میشر در جریان یکی از آزمایش‏هایش گلبول سفید را تحت تاثیر عصاره‏ی معده خوک قرار داد.درآن زمان دانشمندان می‏دانستند این عصاره آنزیمی دارد که باعث هضم پروتئین‏ها می‏شود.امروزه آن آنزیم را با نام پپسین می‏شناسیم.وی‏چگونگی اثر عصاره را بر سلول‏ها را به دقت زیر میکروسکوپ مشاهده کرد. وقتی عصاره معده پروتئین‏های گلبول سفید را تخریب کردند.او مشاهده کرد که ساختار این پروتئین‏ها از هم می‏پاشد. اما هسته آنها تا حدود زیادی سالم باقی می‏ماند.به این ترتیب او هسته سلول را سیتوپلاسم جداد کرد. در گام بعدی هسته‏ها را تحت ثاثیر هیدروکسید سدیم قرار داد.افزودن این ماده قلیایی به ظرف حاوی هسته باعث تشکیل رسوب سفید رنگی شد که تجزبه‏ی شیمیاییآن نشان داد کربن-اکسیژن-نیتروژن و درصد بالایی فسقر عناصر سازنده آن هستند.پایداری در مقابل پپسین و چگونگی واکنش آن به حلال‏های متفاوت و درصد بالایی فسفر باعث شد میشر پیشنهاد کند ماده غیر پروتئینی جدیدی را کشف کرده است .مشیر این ماده نوکلئین به معنای در هسته نامید.
میشر آزمایش‏های مشابهی را روی اسپرم ماهی آزاد انجام داد .به طور کلی هسته در همه‏ی اسپرم‏ها حجم زیادی از سلول را به خود اختصاص می‏دهد.در اسپرم ماهی آزاد نیز بیش از 90% حجم سلول از هسته است.تلاش شبانه روزی این پژوهشگر پرکار به استخراج نوکلئین از اسپرم ماهی آزاد و اسپرم گونه‏های دیگر منجر شد.بررسی شیمیایی نوکلئین استخراج شده از آن منابع نتیجه‏ی پیشن را تایید کرد.میشر به راستی ماده جدیدی را کشف کرده بود که به نظر می‏رسید در هسته‏ی همه‏ی سلول‏ها وجود دارد.
اگر نوکلئین ماده ژنتیک باشد باید مقدار آن در همه سلول‏ها پیکری یکسان و در سلول‏های جنسی نصف سلول‏های پیکری باشد.میشر برای یررسی این فرضیه چند سال تلاش کرد و توانست مقدار نوکئین را در هسته‏ی سلول‏های پیکری و جنسی تعیین کند.اما یک رویداد ناشی از بد شانسی باعث شد او به اشتباه نوعی پروتئین را به عنوان ماده ژنتیک معرفی کند.
میشر درصد فسفر بالا را معیار شناسایی نوکلئین قرار داده بود.در سیتوپلاسم تخمک پروتیئنی به نام فسویتیین هفت وجود دارد که برخلاف دیگر پروتئین‏ها مقدار زیادی فسفر دارد.این پروتئن که در آن زمان هنوز کشف نشده بود باعث شد که مایشر مقدار مقدار نوکلئین موجود در تخمک را به درستی محاسبه نکند.از این رو نتیحه گرفت مقدار نوکلئین سلول تخمک و سلول اسپرم با هم برابر نیستند و بنابراین چنین مولکولی نمی‏تواند نقش ماده ژنتیک را بازی کند .در نهایت میشر پس از سال‏ها تلاش در اثر سل جان باخت.دو عامل را دلیل ابتلای او به این بیماری می‏دانند :تماس با چرک باند‏های بیماران و فعالیت شبانه روزی در اتاق سردی که برای استخراج نوکلئین‏ها لازم بود.و او جان خود را راه شناخت نوکلئین گذاشت.

فوبوس لون phoebus levene

فراگیری پزشکی را در روسیه آغاز کرد.اما به سبب کار در آزمایشگاه شیمی آلی به بیوشیمی علاقه‏مند شد.در سال 1829آموزش پزشکی را در نیویورک به پایان برد.و با بزرگان شیمی از جمله آلبرت کوسل و امیل فیشر آشنا شد که در زمینه‏ی اسید نوکلئیک و پروتئین کار می‏کردند.شهرت لون بیشتر در مورد طرح تترانوکلئوتتدی است.لون بر اساس پژوشهای خود و پژوهشگران پیشن به این نتیجه رسید که نوکلئوتید‏ها واحد‏های ساختمانی اسید‏های نوکلئیک هستند و اسید نوکلئیکی که میشر کشف کرده بود از نوع دزوکسی ریبونوکلئیک است.هر نوکلئوتید از یک باز آلی و یک قند پنج کربنه و یک گروه فسفات تشکیل شده که در شرایط طبیعی به صورت یونیزه و دارای بار منفی است.به علاوه او دریافت نوکلئوتید‏ها از راه پیوند فسفو دی استری به هم می‏پیوندند.لون براساس آزمایش‏های خود به این نتیجه‏ی نادرست دست یافت که اندازه‏ی چهار باز A T C G در DNA برابر است.از این رو طرح تترانوکلئوتیدی را به عنوان ساختمان شیمیایی DNA پیشنهاد کرد. براساس این طرح DNAمولکول درازی است که از تکرار یک واحد تترانوکلئوتیدی تشکیل شده است.یعنی به صورت زیر:
n(AGTC-AGTC-AGTC-AGTC-AGTC)

اروین چارگاف Erwin Chargaff

این دانشمند در زمینه‏ی شیمی پژوهش‏های گسترده‏ای انجام داده است. اما بیشتر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهای آلی در DNA مشهور است.وی و همکارانش به مدت هفت سال با روش کروماتوگرافی کاغذی نسبت بازهای آلی DNA را در جانداران گوناگون و سلول‏های پیکری یک جاندار تعیین کردند و نتیجه گرفتند مقدار بازها در DNA گونه‏های مختلف جانداران متفاوت است. و با تغییر رژیم غذایی وتغییر شرایط محیطی و با افزایش سن تغییر نمی‏کند.و در تمام نمونه‏ها مقدار A=T و C=G است.آزمایش‏های چارگاف نشان داد که نظریه‏ی تترانوکلئوتیدی لون درست نیست .

لینوس پاولینگ linus pauling

روش پراش پرتوی ایکس نخستین بار برای بررسی بلور نمک طعام استفاده شد. «لینوس پاولینگ» شیمیدان بزرگ، یکی از نخستین کسانی بود که با بهره گیری از این روش تلاش کرد ساختمان سه بعدی پروتئین ها را روشن کند و تا آغاز قرن 21 تنها کسی بود که توانست به تنهایی دو جایزه‏ی نوبل را کسب کند. اولين كار پاولينگ كه به خاطرش جايزه نوبل شيمي را در سال 1954 گرفت ٬ در رابطه با ساختار مولكولي بود . او در زمره اولين كساني بود كه اصول مكانيك كوانتوم را براي تعيين فاصله ها و زواياي بين پيوندها شيميايي بكار برد . پاولينگ به واسطه اين بررسي ها ٬ ساختار و خواص فيزيكي بسياري از تركيبات زيست حياتي مهم را تعيين كرد ٬ كه برجسته ترين آن ها پروتئين بودند . او انديشه هايش را در اين باره در كتاب پيوند هاي شيميايي ( 1939 ) گرد آورد ٬ كه يكي از مفيد ترين كتاب هاي قرن بيستم به شمار مي رود . در دهه 1950 ٬ پاولينگ درباره خطرات ناشي از انتشار ذرات پرتوزاي حاصل از آزمايش سلاح هاي هسته اي عميقا نگران شد . او عليه چنين آزمايشهايي گفت و نوشت و در سال 1958 ٬ دادخواستي را به سازمان ملل متحد ارائه داد كه به امضاي بيش از يازده هزار دانشمند رسيده بود . در همان سال پاولينگ متني تحت عنوان جنگ ديگر بس است منتشر كرد كه در آن مخالفت خود را با سلاح هاي هسته اي بيان نمود . دولت آمريكا به خاطر اعتراضات پاولينگ ٬ گذرنامه او را براي چندين سال توقيف كرد ٬ و به همين ترتيب مانع خروج وي از كشور و همكاري وي با ديگران شد . در دهم اكتبر 1962 ٬ يعني روز امضاي قرداد تحريم آزمايشهاي هسته اي بين آمريكا و شوروي ٬ پاولينگ جايزه نوبل 1962 را نيز دريافت كرد . دوره بعدي زندگي پاولينگ به بررسي تعدادي از موضوعات پزشكي طي شد . او نشان داد كه كم خوني سلول هاي داسي شكل ٬ ناشي از اختلال مولكولي موروثي است . همچنين نظريه مگا ويتامين يعني استفاده از مقدار زياد ويتامين ها ٬ را براي درمان بيماري ها و پيشرفت سلامتي مورد پژوهش قرار داد . از جمله بحث بر انگيز ترين و معروفترين ادعاي او اين بود كه مصرف زياد ويتامين ث مي تواند مانع سرماخوردگي معمولي شود ٬ يا اينكه آن را معالجه كند .وی در مجموعه مقاله هایی که در سال های ۱۹۵۰ و ۱۹۵۱ انتشار داد، مارپیچ آلفا را مهم ترین رکن ساختمان سه بعدی پروتئین ها معرفی کرد. «پاولینگ» برای DNA نیز طرحی پیشنهاد کرد. در طرح او DNA از سه رشته مارپیچ تشکیل شده بود که بازهای آلی آن در بیرون و ستون های قند فسفات در درون مولکول قرار داشتند. به علاوه در طرح او گروه های فسفات به حالت یونیزه و دارای بار منفی نبودند و رشته ها از راه پیوندهای هیدروژنی با هم ارتباط داشتند که بین گروه های فسفات برقرار شده بودند.
براساس آنچه از شیمی DNA می دانیم، گروه های فسفات همیشه به حالت یونیزه و دارای بار منفی هستند و این معما همچنان باقی است که «پاولینگ» (برنده نوبل شیمی) چگونه چنین اشتباهی مرتکب شده است؟ با وجود این، همان طور که در ادامه می آید، شیوه پژوهشی او تاثیر مهمی بر فعالیت های «واتسون» و «کریک» داشت.

رزالین فرانکلینrosalind franklin
Born: 25 July 1920
Birthplace: London, England
(Died: 16 April 1958 (ovarian cancer

رزالین فرانکلین (۱۹۵۸-۱۹۲۰)فرانكلين در در سال 1920بدنيا آمد . وقتي 15 سال داشت تصميم گرفت دانشمندشود . اما پدرش به شدت با ايده او مخالف بود واعتقاد داشت يك دختر بهتر است در ادبيات درس بخواند و در زمينه ها ي علوم اجتماعي مشغول شود با اين حال او در1938 وارد دانشگاه كمبريدج شد ودر سال 1942وارد مركز تحقيقات لندن گرديد وبررسيهاي خود را در زمينه ريز ساختمان گرافيت وكربن ادامه داد. همين مطالعات بعدا پايه تحقيقات او در دانشگاه كمبريج براي اخذ مدرك دكترا در رشته فيزيك شيمي در1945گرديد . روزالين بعدا به فرانسه رفت و در آنجا با
تكنيك پراش اشعه ايكس اشنا شد (1947-1950). در سال 1951مجدد به انگلستان و به كمبريج برگشت و در سال ۱۹۵۱ به همراه یکی از دانشجویان به نام «رایموند گوسلینگ» مجموعه‏یی از تصویرهای پراش پرتوی ایکس با کیفیت بالا از بلور DNA تهیه کرد. او با استفاده از این تصویرها توانست ابعاد و چگالی DNA را محاسبه کند و به درستی نتیجه گرفت که گروه های فسفات در بیرون مولکول DNA قرار دارند. به علاوه تشخیص داد DNA به دو شکل A و B وجود دارد و شکل راستین DNA همان شکل B است. تصویری که او از بلور شکل B تهیه کرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدی DNA نقش بسزایی داشت.( آن تصویر را ظاهرا «موریس ویلکینز» بدون اجازه فرانکلین در اختیار «واتسون» و «کریک» قرار داده بودو این تصویر بود که آنها را مستقیم به کشف ساختارDNA راهنمایی کرد ) همچنین رزالین ساختار مولکولی ویروس‏های مهمی مانند موزائیک تنباکو را تعیین کرد و به ثبت ساختار مارپیچی RNA کمک نمود. «فرانکلین» در سال ۱۹۵۸ در اثر سرطان تخمدان در سن 37 سالگی درگذشت. به نظر می رسد کار بیش از اندازه با پرتو ایکس در ابتلای او به سرطان موثر بوده است

واتسون و کریک Crick- Watson
James Watson
Born: 6 April 1928
Birthplace: Chicago, Illinois
Francis Crick
Born: 8 June 1916
Birthplace: Northampton, England
(Died: 28 July 2004 (colon cancer

در روزهای پایانی سال ۱۹۵۱، «جیمز واتسون» (زیست شناس) و «فرانسیس کریک» (فیزیکدان) با هدف تعیین ساختمان مولکولیDNA همکاری خویش را آغاز کردند. آنان می دانستند مولکول DNA از تعداد زیادی نوکلئوتید تشکیل شده است که به صورت خطی و با کمک اتصال های فسفودی استری کنار یکدیگر قرار گرفته اند. از سوی دیگر در همین سال، پاولینگ مارپیچ آلفا را به عنوان مهم ترین رکن ساختمان سه بعدی پروتئین ها معرفی کرده بود. از این رو نخستین طرح فرضی برایDNA در ذهن این زوج علمی شکل گرفت. DNA رشته‎یی دراز و مارپیچی شکل از واحدهایی به نام نوکلئوتید است. در این رشته، ستون قند فسفات بسیار منظم و ترتیب بازها بسیار نامنظم است.وقتی آنان طرح فرضی خود را با «ویلکینز» در میان گذاشتند، با این پاسخ روبه رو شدند که بر اساس تصویرهای پراش پرتوی ایکس، قطر مولکول DNA بیش از آن است که وجود تنها یک رشته پلی نوکلئوتیدی آن را توجیه کند. از این رو، «کریک» پیشنهاد تازه یی را مطرح کرد. مولکول DNA از چند رشته پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است که به دور یکدیگر پیچ خورده اند. آیا DNA مولکولی دورشته یی، سه رشته یی یا چهاررشته یی است؟ ارتباط این رشته ها با یکدیگر چگونه است؟ آیا به راستی مولکولDNA ساختمان مارپیچی دارد؟ پاسخ این پرسش ها با اطلاعات کمی که در اختیار «واتسون» و «کریک» بود، به دست نمی آمد. از این رو از «ویلکینز» خواستند با آنان همکاری کند و تصویر پراش پرتوی ایکس بلور DNA را در اختیارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصویر پراش پرتوی ایکس DNA تصمیم گرفتند همانند دیگر دانشمندانی که به بررسی بلور مولکول ها می پرداختند، با استفاده از سیم و تکه های حلب، طرح فرضی DNA را بسازند. تفسیر تصویرهای پراش بلورها به محاسبه پیچیده‎یی نیاز دارد. در آن زمان هنوز رایانه وارد آزمایشگاه های بلورشناسی نشده بود. از این رو بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندکی که از تصویرهای پراش پرتو ایکس به دست می آوردند، طرح های فرضی مولکول ها را می ساختند. سپس با انجام محاسبه‎هایی الگوی پراش فرضی این طرح های ساختگی را تعیین می کردند. سرانجام، پراش فرضی با پراش بلور مقایسه و ساختمان سه بعدی مولکول مورد نظر پیش بینی شد. برای مثال وجود تقارن و نظم در تصویر پراش بلور، نشان دهنده نظم و تکرار واحدهای سازنده مولکول‎های بلور است. بنابراین، طرح ساخته شده باید دارای نظم و واحدهای تکرار شونده باشد.«واتسون» و «کریک» با فرض اینکه ستون قند فسفات در مرکز و بازهای حلقوی در بیرون مولکول DNA قرار دارند، به ساختن نخستین طرح برای DNA مشغول شدند. براساس این طرح؛DNA از دو رشته پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است. این رشته ها با پل های نمکی به هم مربوط می شوند که در آنها کاتیون های دو ظرفیتی مانند Mg۲+ و گروه های فسفات دارای بار منفی شرکت دارند.آنان پس از پایان کار، از «ویلکینز » و «فرانکلین» دعوت کردند، طرح شان را بررسی کنند. وقتی آنان مساله یون های Mg۲+را مطرح کردند که دو رشته را کنار یکدیگر نگه می دارند، با اعتراض شدید «فرانکلین» روبه رو شدند. «فرانکلین» پافشاری کرد که یون های Mg۲+را پوسته هایی از مولکول های آب دربرمی‎گیرند و بسیار دور از ذهن است که میخ محکمی برای نگه داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او این بود که ستون قند و فسفات در بیرون قرار دارد. به این ترتیب، مولکول‎های آب، طرح دو رشته‎یی «واتسون» و «کریک» را فروریختند. مدت ها از این ماجرا گذشت، بدون آن که«واتسون» و «کریک» به موفقیت چشمگیری دست پیدا کنند. تا اینکه باخبر شدند، «پاولینگ» برای ساختمان سه بعدی DNA طرحی پیشنهاد کرده است. اما همان طور که گفته شد، طرح مارپیچ سه رشته یی «پاولینگ» از نظر شیمیایی نادرست بود. مدتی بعد، در دیداری که این زوج علمی با «ویلکینز» داشتند، با تصویر تازه یی از بلور DNA روبه رو شدند که از تصویرهای پیشین ساده تر بود. آن تصویر را که مربوط به شکل B بود، «فرانکلین» تهیه کرده بود. «ویلکینز» به آنان گفت آن تصویر از بلوری تهیه شده که مقدار زیادی آب داشته است و تصویر پیشین که آن دو روی آن کار می‎کرده‎اند، از مولکولی بوده که آب خود را از دست داده بوده است. «کریک» به کمک «ویلکینز»آن تصویر را با معادله های ریاضی بررسی کرد تا اطلاعات زیر به دست آمد:1- تصویر پراش بسیار منظم است. بنابراین ساختمان مولکولی DNA باید بسیار منظم و قطر آن در همه مولکول ثابت باشد.2- نقش ضربدری که در تصویر مشاهده می شود، از مارپیچ بودن مولکول DNA حکایت می کند و زاویه بین بازوی ضربدر و خط افق با زاویه پیچش DNA برابر است.3- در تصویر پراش، نقطه هایی که فاصله زیادی از هم دارند، در واقع فاصله اندکی از یکدیگر دارند و برعکس. با در نظر گرفتن این قاعده که معادله های پیچیده ریاضی آن را تایید می کند، فاصله بین مرکز و محیط تصویر پراش، حدود ۳۴ انگستروم و فاصله بین هر ردیف از نقطه های سیاه با ردیف بعدی حدود ۳۴ انگستروم محاسبه می شود. بنابراین، فاصله هر جفت باز با جفت باز دیگر حدود ۴/۳ انگستروم و فاصله عمودی یک دور کامل مارپیچ DNA ، حدود ۳۴ انگستروم خواهد بود. در این صورت، در هر دور مارپیچ DNA حدود ۱۰ جفت باز آلی جای می گیرد.سرانجام «واتسون» و «کریک» با درنظر گرفتن این اطلاعات و نتیجه آزمایش های «چارگاف» توانستند به بزرگ ترین کشف زیست شناسی مولکولی دست یابند و به همراه «ویلکینز»، جایزه نوبل ۱۹۶۲ را از آن خود کنند.