Kui teil pole võimalik uurida funktsiooni,

uurige struktuuri.

Francis Crick

DNA struktuuri kirjeldamisest möödub tänavu aprillis 50 aastat. Enamasti käsitletakse DNA kaksikheeliksi avastamist kui eepilist suursündmust ekstsentriliste ja karismaatiliste persoonide osavõtul, ideede ja otsingute tulevärki. Sellise arusaama on esile kutsunud põhiliselt üks peategelastest, James Watson, kes on tolleaegseid sündmusi lahanud teadusringkondades harva nähtava avameelsusega [3]. DNA kaksikheeliks ei tekkinud aga tühjale kohale ning seetõttu on õpetlik jälgida kogu arengut, mis viis tänapäevase ettekujutuseni pärilikkusest ja evolutsioonist.

Üheksateistkümnenda sajandi keskel ilmus kümmekonna aasta jooksul kolm tähtsuselt, mahult ja haardelt väga erinevat teadustööd. Kui need tööd oleksid ühel ajal kellegi vaatevälja sattunud, oleks tolleaegsete teadlaste silme läbi vaadatuna võinud väita, et kuigi kõik tööd kuuluvad loodusteaduste valdkonda, on neil omavahel väga vähe kokkupuutepunkte. Need tööd, loetletuna kronoloogilises järjestuses, on Charles Darwini “Liikide tekkimisest” (1859), Johann Mendeli “Uurimus taimsetest hübriididest” (1866) ja Friedrich Miescheri “Mädarakkude keemilisest koostisest” (1871). Viimane käsitleb praeguses mõistes DNA eraldamist rakutuumast.

Aeg on näidanud, et tegelikult on need kolm ainevaldkonda omavahel otseselt ja tihedalt seotud: Miescheri nukleiin ehk praeguses mõistes DNA pole aluseks mitte ainult Mendeli seadustele ja sellega geneetilistele põhimehhanismidele, vaid kogu evolutsiooniõpetusele. Darwini ja Mendeli tööde süntees algas juba 19. sajandi lõpus ja 20. aastasaja alguses. Seevastu kõigi kolme ainevaldkonna seostamine viimastel aastakümnetel on võimaldanud meil sügavuti aru saada kogu eluslooduse kesksetest seaduspärasustest. DNA kaksikheeliksi kirjeldamist on ülistatud kui 20. sajandi bioloogia suurimat saavutust. Vaatleme lähemalt arengut, mis lõppkokkuvõttes lõi tänapäevase kujutluse pärilikkusest ja evolutsioonist.

Nukleiinhappe avastamine. 1869. aastal eraldas saksa biokeemik Friedrich Miescher kasutatud haavasidemetel leiduvatest rakkudest uue aine, mis tunduvalt erines varem tuntud bioloogilistest ainetest. Kuna aine näis pärinevat rakutuumadest, sai ta nimetuseks nukleiin. Tingituna uue ühendi väga eripärasest koostisest – ta sisaldab kaalu järgi kuni kümnendiku osa fosforit – ei võtnud Felix Hoppe-Seyler, tolleaegse esmatähtsa biokeemiaajakirja väljaandja, uurimust kohe avaldamiseks vastu. Töö põhitulemusi kontrollisid Hoppe-Seyleri kaastöötajad: sedavõrd erilise koostisega aine ei tarvitse ju olla puhas, vaid pigem segu näiteks valkainetest ja fosfaadist.

Nukleiin pidas lisakatsumustele vastu ja artikkel ilmus Hoppe-Seyleri ajakirjas 1871. aastal. Hiljem eraldas Miescher sama aine ka Atlandi tuura spermatosoididest. Osutus, et nende sugurakkude tuum koosnebki põhiliselt nukleiinist. Nukleiini rikkalik sisaldus sugurakkudes viitab nende võimalikule seosele pärilikkusega. Tolleaegsetest teadlastest väitis seda kõige kindlamini tsütoloog Oskar Hartwig (1884): nukleiin on aine, mis vastutab pärilike tunnuste ülekandmise eest. Miescher ise uskus pigem valkude erilistesse omadustesse ning seda seisukohta omaks ei võtnud. Samas mainib ta kirjas oma onule (1892) üllatavalt tänapäevaselt, et “.. keemiliste rühmade kordumine suurtes molekulides võib toimida kui “keel” – just nagu sõnad ja kontseptsioonid kõigis keeltes leiavad oma väljenduse alfabeedist pärinevate tähekombinatsioonide kujul”. Nukleiinhapete rolli pärilikkuses toetasid ka mitmed teised tollased teadlased ning seda kuni 19. sajandi lõpuni. Sõna “nukleiinhapped” võttis esimest korda kasutusele Richard Altman 1889. aastal, eristades seda varasemast mõistest “nukleiin” – ainest, mis sisaldas ka valke.

DNA keemilisel uurimisel etendas eriti olulist osa Albrecht Kossel, kes 1879–1883 töötas kuulsa füsioloogi Hoppe-Seyleri juures Strasbourgis. Tema tööde tulemusel leiti 1890. aastatel nukleiinhapetest nii puriin- kui ka pürimidiinalused, samuti suhkur (pentoos) ja fosforhape. Puriinaluste struktuurivalemid tegi kindlaks Emil Fischer. Kuna tolleaegsed analüüsimeetodid ei võimaldanud puriin- ja pürimidiinaluste hulka täpselt määrata, arvati, et kõiki aluseid leidub ühepalju. Hiljem uuris Kossel valke; kui talle anti 1910. aastal Nobeli auhind, nimetas ta siiski nukleiinhapete uurimist üheks oma elutöö tähtsamaks osaks. Ka Emil Fischer sai Nobeli auhinna eelkõige valkude uurimise eest.

Pärilikkust arvatakse kandvat valgud. Sedamööda, kuidas 20. sajandi algul sai üha ilmsemaks valkude keemilise ehituse keerukus võrreldes DNA suhtelise lihtsusega, nihkus nukleiinhapete võimalik roll pärilikkuse kandjana tagaplaanile. Sajandivahetusel arvasid niiviisi kõik geneetikateaduse rajajad. Väidetavasti ei huvitanud näiteks Thomas Morganit geenide materiaalse kandja küsimus hoopiski. Ka tsütoloogide kogemus toetas seda vaadet: teatud rakutsükli ajavahemikel muutub DNA halvasti nähtavaks.

Seevastu valgud pakkusid uurijaile üha uusi üllatusi, kuna ka nende koostis varieerub suuresti. Valkude koostises avastati koguni väävlit! Valkudele pärilike omaduste omistamisel rääkis kaasa ka nende katalüütilise toime avastamine: geeniks sobis suurepäraselt autokatalüütilise toimega valkaine, mis võib katalüüsida ka iseenese taastootmist. Kuna pärilikkust mõisteti tollastes uurimustes eelkõige morfoloogiliste tunnustena, on loomulik omistada ka pärilikkuse alge valgumolekuli keerukatele ruumilistele iseärasustele. Seda siiski mitte preformatsionistide mõttes, nagu oleks täiskasvanud indiviid väga väikeses mõõtkavas olemas juba munarakus. Võib arvata, et vaid vähestel teadlastel jätkus fantaasiat kujutleda tervet looma- ja taimeriiki kogu oma mitmekesisuses kodeerituna mingite tekstide kujul, igas rakus miljoneid või miljardeid tähemärke.

Nukleiinhapete keemias, nagu peatselt ka paljudel teistel teadusaladel, kandus uurimistöö raskuspunkt Ameerika Ühendriikidesse. Tööd jätkas Peterburi sõjaväe meditsiiniakadeemias õppinud Phoebus Aron Levene, kes pärast stuudiumi lõpetamist emigreerus Ameerikasse ja sai 1907. aastal Rockefelleri meditsiiniinstituudi keemiaosakonna juhatajaks. Kuigi ka tema pidas pärilikkuse kandjaks valke, uuris ta muude huvide kõrval edasi nukleiinhappeid. Juba 1920. aasta paiku tegi ta selgeks polünukleotiidahela põhimõttelise struktuuri, kuigi üksikasjades täpsustati ahela ehitust veel 1950. aastateni.

Levenelt pärineb hüpotees DNA tetranukleotiidse ehituse kohta: kõiki nelja puriin- ja pürimidiinalust leidub DNA-s võrdsel hulgal ning need moodustavad struktuurse ühiku, tetranukleotiidi. Viimased moodustavad omavahel seostudes DNA molekule. Tollal uurimistöös kasutatud DNA preparaatide polümerisatsiooniaste oli üsnagi väike, sest DNA pikad polümeersed molekulid kipuvad näiteks lahuse hoogsal segamisel kergesti katkema. Niisiis ühelt poolt DNA tetranukleotiidse ehituse ning teiselt poolt väikese molekulmassi põhjal võis oletada, et need lühikesed ja seejuures sarnased molekulid on sobimatud pärilikkuse kandja rolli.

Molekulaarbioloogia algusaastad. Biokeemia, tsütoloogia, geneetika jt. teaduste areng 20. sajandi keskel tõi üha lähemale bioloogiliste struktuuride ja protsesside käsitlemise molekulaarsel tasemel. Edu ühes või teises valdkonnas hakkas sõltuma molekulaarsete struktuuride ja funktsioonide mõistmisest, makromolekulide asukoha ja rolli kindlakstegemisest raku ainevahetuses. Biokeemia edukäik võlgneb tänu eelkõige üha täiuslikematele vahenditele, millega eraldada, fraktsioneerida ja määrata kudedest aineid. Nii tulid uurijate käsutusesse kromatograafia, elektroforees ja tsentrifuugimine ning elektronmikroskoop, spektrofotomeetria, röntgenstruktuurianalüüs jm.

1944. aastal avaldas Erwin Schrödinger raamatu “Mis on elu?”, mis põhines aasta varem peetud loengutel ning sai teadusringkondades kohe populaarseks. Schrödinger seletab elunähtusi, eelkõige pärilikkust kvantfüüsika seisukohalt: võis arvata, et pärilikkus on mingi kvantmehhaaniliste fluktuatsioonide eest kaitstud “aperioodiline kristall”, mida teiste sõnadega võiks kirjeldada ka kui mitteidentsetest ühikutest koosnevat polümeeri.

Schrödingeri lähenemisviis oli lõpuni abstraktne. Seejuures ei tutvusta teos uurimistöid ega üksikküsimusi, vaid vaatleb pärilikkust kui nüüdisaegse loodusteaduse äärmiselt põnevat ja huvipakkuvat probleemi. Tema töö mõju teadlaskonnale seisnes filosoofilises uudsuses. Kuni 1950. aastani võis uskuda, et bioloogilised makromolekulid, nende seas pärilikkuse kandjad, võivad põhimõtteliselt erineda elutust ainest. Seetõttu tuli DNA lihtne ehitus ja temas sisalduva informatsiooni säilitus- ja paljundamisviis pigem üllatusena. Komplitseeritud küsimuse sedavõrd lihtne lahendus võis tunduda uskumatu isegi lihtsameelsele materialistile ja tingis ka paljude nimekate biokeemikute kahtluse mudeli õigsuses.

DNA roll tähtsustub. Olulise nihke pärilikkuse kandjast arusaamises tegi ameeriklane Oswald Avery, Rockefelleri instituudi mikrobioloog. Ta tõestas veenvalt DNA määrava osa pärilikkuses, see töö ilmus veebruaris 1944. Tegelikult oli bakterite pärilikkuse materiaalse kandja uurimine pikka aega üks tema laboratooriumi tegevuse kõrvalliine. Juba 1942. aastaks oli transformeeriv alge sedavõrd puhastatud, et võis olla kindel: valku selles preparaadis ei leidu, tegu on DNA-ga. Kuigi eksperimendid olid veenvad, ei aktsepteerinud teaduslik üldsus tulemust vastuvaidlematult – tingituna eelkõige juba tugevasti juurdunud arvamusest, mis kinnitas selle rolli valgule.

Olenemata DNA-le omistatud osast oli seda uurima asutud ka füüsikalis-keemiliste ja struktuursete meetoditega. Juba enne Teist maailmasõda, samuti hiljem (1947), oli William Astbury uurinud DNA-d röntgendifraktsiooni meetodil. 1950. aasta paiku hakati seda tegema ka Londoni ülikoolis, kuid DNA struktuuri kindlakstegemiseni oli siis veel pikk tee.

1950. aastaks oli selgunud, et DNA on polümeer ning tema struktuuris mängivad tähtsat rolli vähetuntud vesiniksidemed. Röntgenstruktuurianalüüsi andmetest oli teada perioodilisus tema pikitelje suunas ning puriin- ja pürimidiinaluste asend risti molekuli pikiteljega. 1952 publitseeriti DNA ühe komponendi – tsütidiini kristallstruktuur, millest selgus veelgi üksikasju. Olulisi andmeid olid lisanud ka keemikud, täpsustades molekulis puriin- ja pürimidiinaluste vahekordi, mis lükkas ümber tetranukleotiidide teooria. Erwin Chargaffi andmetest ilmnes seejuures, et DNA adeniini- ja tümiini, samuti guaniini- ja tsütosiinisisaldus on võrdsed. Sellest sai üks DNA kaksikheeliksi avastamise alustalasid.

Niisiis oli DNA-uurimustes 1950. aastateks selgeks tehtud nii tema bioloogiline roll kui ka molekuli täpne keemiline ehitus. Lähemale oli jõutud ka tema struktuursete iseärasuste mõistmisele. Siiski oli selleks, et teha kindlaks molekuli tegelik ruumiline ehitus, vaja veel kas hulganisti tõsist tööd või üritada kesisevõitu teadmiste kiuste seda n.-ö. ära arvata.

Watson ja Crick. Tol ajal polnud särav eksperiment võimalik. Ükski tuntud meetod poleks seda võimaldanud, ka mitte DNA fiibrite röntgendifraktsioonianalüüs. Praegusel ajal leiame teaduslikus kirjanduses üha uusi ja uusi üksikasjadeni täpseid DNA kaksikhelikaalsete struktuuride kirjeldusi, küll modifitseeritud keemilise ehitusega, küll kompleksis eri valgumolekulide, antibiootikumite ja teiste ainetega. Kuid need struktuurid on leitud juba tõeliste kristallide struktuuranalüüsi abil, kasutades oligonukleotiide ehk lühemaid kaksikhelikaalse DNA lõigukesi, mis koosnevad tavaliselt kuuest kuni kaheteistkümnest aluspaarist. Nende valmistamise ja kristalliseerimise kunst omandati aga alles paarikümne aasta eest.

Kristallograafide, eriti Rosalind Franklini suur soov oli selgitada DNA struktuuri just röntgenstruktuurianalüüsi andmetele tuginedes. Oma suurimaks eeskujuks võis ta pidada teist tuntud inglast Oxfordi ülikoolist, kristallograaf Dorothy Hodgkinit, penitsilliini ja insuliini struktuuri kirjeldajat. DNA struktuuri mõistatuse lahendamine röntgendifraktsiooni meetoditega nõudnuks kaheldamatult pikemaajalist tööd ning eeldanuks ka teiste füüsikalis-keemiliste meetodite kasutamist

Tollast DNA keemilise struktuuri ja füüsikaliste omaduste andmestikku pidasid vaid vähesed teadlased piisavaks, et teha asjalikke oletusi DNA molekulaarse struktuuri kohta. Ometi oli 1950. aastate alguses olemas vähemalt üks positiivne näide, et molekulaarne modelleerimine võib makromolekulide korral anda häid tulemusi. Nii oli ameerika keemik Linus Pauling kirjeldanud valgumolekulide struktuuri üht üliolulist koosteosa, nn. alfa-heeliksit, lähtudes samuti küllaltki nappidest katseandmetest. Polnud põhimõttelist takistust, miks ei võiks DNA-d, kuigi struktuurilt märksa komplitseeritumat molekuli, modelleerida samal moel.

See mõte hakkas arenema James Watsoni peas, kui ta pärast doktorikraadi kaitsmist Indiana ülikoolis staþeeris Euroopas. Kuigi Watsonil polnud küllaldast ettevalmistust uurimistööks bioloogiliste makromolekulidega, oli ta sügavalt veendunud probleemi tähtsuses ning tiivustatuna Paulingi edust sama laadi probleemi lahendamisel asus ta entusiasmiga struktuuri välja selgitama. DNA struktuuri uurimisest kujunes omamoodi võistlus, milles osalesid kristallograafid Rosalind Franklin ja Maurice Wilkins Londoni ülikoolist, John Bernali doktorant norralane Sven Furberg Birkbeck College’ist Cambridge’is, kuulus keemik Linus Pauling California ülikoolist ning teisedki. Sven Furberg oli leidnud DNA ühe koostisosa, tsütidiini kristallstruktuuri ning selle põhjal esitas ta 1952. aastal ka oma DNA mudeli. Otseselt DNA-ga töötamast segas teda aga John Bernali teiste kristallograafidega sõlmitud dþentelmenlik kokkulepe, mille alusel ta kohustus uurima vaid madalamolekulaarseid ühendeid. Eksliku mudeli esitas ka Pauling, kelle ebaõnne võib kirjutada eelkõige selle arvele, et tal polnud DNA-d lähemalt tundvaid kaastöötajaid – hoolimata varasematest katsetest kutsuda oma laborisse tööle “DNA asjatundjaid” Euroopast [1].

Töötades kuulsas Cavendishi laboratooriumis Cambridge’is Inglismaal, ühendas James Watson oma jõupingutused Francis Cricki teadmiste ja oskustega. Paljud imestavad: kuidas sai selle vägitükiga hakkama just James Watson – oma ettevalmistuse ja teadmiste poolest tunduvalt tagapool paljudest kolleegidest, kes tundsid palju sügavamalt makromolekulide ehitust. Kahtlemata oli siin üks määrav tegur Watsoni kindel tahe “asi selgeks teha”, usk võimalusse leida lahendus seniste andmete alusel. Sellele võib lisada tema sõbra Francis Cricki suure vaimse aktiivsuse, suhtlemisoskuse ja läbikäimise paljude kolleegidega, mis lõppkokkuvõttes võimaldas noppida hulganisti kasulikke teadmisi. Ei maksa unustada ka Cricki läbimõeldud matemaatilisi põhjendusi helikaalsete struktuuride röntgendifraktsiooni kohta.

Ajakirja Nature 1953. aasta 25. aprilli numbris ilmus James Watsoni ja Francis Cricki lühike teadaanne DNA oletatava struktuuri kohta, mis on kooskõlas katsete põhiliste faktidega. Elegantselt lihtne ja põhjendatud mudel (vt. joonist) äratas teenitud tähelepanu. Samal ajal avaldati Rosalind Franklini ja Maurice Wilkinsi artiklid, mis toetavad esitatud struktuuri. Watson, Crick ja Wilkins said Nobeli auhinna 1962. aastal.

DNA kaksikheeliksi struktuur selgitati põhijoontes 50 aastat tagasi. Arvestades molekulaarbioloogia praegust kõrgseisu ja rakendusi, on see tegelikult lühike ajavahemik. Möödunud aastakümnete kestel oleme võinud tunnistada uue teaduse hämmastavalt kiiret arengut: alates Watsoni-Cricki mudeli esitamisest kuni paljude pärilikkusega seotud protsesside mõtestamise ja ülipikkade nukleotiidjärjestuste, kaasa arvatud inimese DNA, kindlakstegemiseni nüüdisajal. Oleme Watsoni ja Cricki lihtsa skeemikese abil saanud vastuse paljudele küsimustele, mis vaevasid nii geneetikuid kui ka biokeemikuid üle saja aasta: kuidas seletada pärilikkust, muutlikkust, bioloogilist evolutsiooni.

Põhiline osa bioloogidest on filosoofilises mõttes alati olnud materialistid, kes on eeldanud, et eluta looduses tuntud keemilised ja füüsikalised seaduspärad toimivad samamoodi ka elussüsteemides. Elu põhineb lõppkokkuvõttes makromolekulide omavahelistel seostel ja toimetel, nende mõjustuste üks sõlmpunkt asub nukleiinhapete ja valkude molekulaarsetes struktuurides.

Kokku võttes: selle asemel, et imetleda elusorganismi kui suurt lahendamata saladust, võime praegusajal elu – või vähemalt mõnda tema tähtsat osa – imetleda kui ülipeent ja töökindlat masinavärki, millest kui tervikust ei ole meil veel täit arusaamist, kuid mille poole teadus on arenemas. DNA struktuuri ja funktsiooni tundmaõppimine on selle parim näide.

1. Hunter, Graeme K. 2000. Vital forces, Academic Press, San Diego.

2. Magner, Lois N. 1994. A history of the life sciences, Marcel Dekker, New York.

3. Watson, James 1970. Kaksikspiraal. – Loomingu Raamatukogu, 34/35: 1–139.

Ergo Raukas (1935) on biofüüsik, bioloogiakandidaat. Töötab eksperimentaalbioloogia instituudis vanemteadurina.