04/2003



   Eesti Looduse
   fotovoistlus 2010




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
artiklid EL 04/2003
Viiskmmend aastat DNA kaksikheeliksit

Kui teil pole vimalik uurida funktsiooni,

uurige struktuuri.

Francis Crick


DNA struktuuri kirjeldamisest mdub tnavu aprillis 50 aastat. Enamasti ksitletakse DNA kaksikheeliksi avastamist kui eepilist suursndmust ekstsentriliste ja karismaatiliste persoonide osavtul, ideede ja otsingute tulevrki. Sellise arusaama on esile kutsunud philiselt ks peategelastest, James Watson, kes on tolleaegseid sndmusi lahanud teadusringkondades harva nhtava avameelsusega [3]. DNA kaksikheeliks ei tekkinud aga thjale kohale ning seetttu on petlik jlgida kogu arengut, mis viis tnapevase ettekujutuseni prilikkusest ja evolutsioonist.

heksateistkmnenda sajandi keskel ilmus kmmekonna aasta jooksul kolm thtsuselt, mahult ja haardelt vga erinevat teadustd. Kui need td oleksid hel ajal kellegi vaatevlja sattunud, oleks tolleaegsete teadlaste silme lbi vaadatuna vinud vita, et kuigi kik td kuuluvad loodusteaduste valdkonda, on neil omavahel vga vhe kokkupuutepunkte. Need td, loetletuna kronoloogilises jrjestuses, on Charles Darwini Liikide tekkimisest (1859), Johann Mendeli Uurimus taimsetest hbriididest (1866) ja Friedrich Miescheri Mdarakkude keemilisest koostisest (1871). Viimane ksitleb praeguses mistes DNA eraldamist rakutuumast.

Aeg on nidanud, et tegelikult on need kolm ainevaldkonda omavahel otseselt ja tihedalt seotud: Miescheri nukleiin ehk praeguses mistes DNA pole aluseks mitte ainult Mendeli seadustele ja sellega geneetilistele phimehhanismidele, vaid kogu evolutsioonipetusele. Darwini ja Mendeli tde sntees algas juba 19. sajandi lpus ja 20. aastasaja alguses. Seevastu kigi kolme ainevaldkonna seostamine viimastel aastakmnetel on vimaldanud meil sgavuti aru saada kogu eluslooduse kesksetest seadusprasustest. DNA kaksikheeliksi kirjeldamist on listatud kui 20. sajandi bioloogia suurimat saavutust. Vaatleme lhemalt arengut, mis lppkokkuvttes li tnapevase kujutluse prilikkusest 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 nis prinevat rakutuumadest, sai ta nimetuseks nukleiin. Tingituna uue hendi vga eriprasest koostisest ta sisaldab kaalu jrgi kuni kmnendiku osa fosforit ei vtnud Felix Hoppe-Seyler, tolleaegse esmathtsa biokeemiaajakirja vljaandja, uurimust kohe avaldamiseks vastu. T phitulemusi kontrollisid Hoppe-Seyleri kaasttajad: sedavrd erilise koostisega aine ei tarvitse ju olla puhas, vaid pigem segu niteks 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 philiselt nukleiinist. Nukleiini rikkalik sisaldus sugurakkudes viitab nende vimalikule seosele prilikkusega. Tolleaegsetest teadlastest vitis seda kige kindlamini tstoloog Oskar Hartwig (1884): nukleiin on aine, mis vastutab prilike tunnuste lekandmise eest. Miescher ise uskus pigem valkude erilistesse omadustesse ning seda seisukohta omaks ei vtnud. Samas mainib ta kirjas oma onule (1892) llatavalt tnapevaselt, et .. keemiliste rhmade kordumine suurtes molekulides vib toimida kui keel just nagu snad ja kontseptsioonid kigis keeltes leiavad oma vljenduse alfabeedist prinevate thekombinatsioonide kujul. Nukleiinhapete rolli prilikkuses toetasid ka mitmed teised tollased teadlased ning seda kuni 19. sajandi lpuni. Sna nukleiinhapped vttis esimest korda kasutusele Richard Altman 1889. aastal, eristades seda varasemast mistest nukleiin ainest, mis sisaldas ka valke.

DNA keemilisel uurimisel etendas eriti olulist osa Albrecht Kossel, kes 18791883 ttas kuulsa fsioloogi Hoppe-Seyleri juures Strasbourgis. Tema tde tulemusel leiti 1890. aastatel nukleiinhapetest nii puriin- kui ka primidiinalused, samuti suhkur (pentoos) ja fosforhape. Puriinaluste struktuurivalemid tegi kindlaks Emil Fischer. Kuna tolleaegsed analsimeetodid ei vimaldanud puriin- ja primidiinaluste hulka tpselt mrata, arvati, et kiki aluseid leidub hepalju. Hiljem uuris Kossel valke; kui talle anti 1910. aastal Nobeli auhind, nimetas ta siiski nukleiinhapete uurimist heks oma elut thtsamaks osaks. Ka Emil Fischer sai Nobeli auhinna eelkige valkude uurimise eest.


Prilikkust arvatakse kandvat valgud. Sedamda, kuidas 20. sajandi algul sai ha ilmsemaks valkude keemilise ehituse keerukus vrreldes DNA suhtelise lihtsusega, nihkus nukleiinhapete vimalik roll prilikkuse kandjana tagaplaanile. Sajandivahetusel arvasid niiviisi kik geneetikateaduse rajajad. Videtavasti ei huvitanud niteks Thomas Morganit geenide materiaalse kandja ksimus hoopiski. Ka tstoloogide kogemus toetas seda vaadet: teatud rakutskli ajavahemikel muutub DNA halvasti nhtavaks.

Seevastu valgud pakkusid uurijaile ha uusi llatusi, kuna ka nende koostis varieerub suuresti. Valkude koostises avastati koguni vvlit! Valkudele prilike omaduste omistamisel rkis kaasa ka nende kataltilise toime avastamine: geeniks sobis suurepraselt autokataltilise toimega valkaine, mis vib katalsida ka iseenese taastootmist. Kuna prilikkust misteti tollastes uurimustes eelkige morfoloogiliste tunnustena, on loomulik omistada ka prilikkuse alge valgumolekuli keerukatele ruumilistele iserasustele. Seda siiski mitte preformatsionistide mttes, nagu oleks tiskasvanud indiviid vga vikeses mtkavas olemas juba munarakus. Vib arvata, et vaid vhestel teadlastel jtkus fantaasiat kujutleda tervet looma- ja taimeriiki kogu oma mitmekesisuses kodeerituna mingite tekstide kujul, igas rakus miljoneid vi miljardeid themrke.

Nukleiinhapete keemias, nagu peatselt ka paljudel teistel teadusaladel, kandus uurimist raskuspunkt Ameerika hendriikidesse. Td jtkas Peterburi sjave meditsiiniakadeemias ppinud Phoebus Aron Levene, kes prast stuudiumi lpetamist emigreerus Ameerikasse ja sai 1907. aastal Rockefelleri meditsiiniinstituudi keemiaosakonna juhatajaks. Kuigi ka tema pidas prilikkuse kandjaks valke, uuris ta muude huvide krval edasi nukleiinhappeid. Juba 1920. aasta paiku tegi ta selgeks polnukleotiidahela phimttelise struktuuri, kuigi ksikasjades tpsustati ahela ehitust veel 1950. aastateni.

Levenelt prineb hpotees DNA tetranukleotiidse ehituse kohta: kiki nelja puriin- ja primidiinalust leidub DNA-s vrdsel hulgal ning need moodustavad struktuurse hiku, tetranukleotiidi. Viimased moodustavad omavahel seostudes DNA molekule. Tollal uurimists kasutatud DNA preparaatide polmerisatsiooniaste oli snagi vike, sest DNA pikad polmeersed molekulid kipuvad niteks lahuse hoogsal segamisel kergesti katkema. Niisiis helt poolt DNA tetranukleotiidse ehituse ning teiselt poolt vikese molekulmassi phjal vis oletada, et need lhikesed ja seejuures sarnased molekulid on sobimatud prilikkuse kandja rolli.


Molekulaarbioloogia algusaastad. Biokeemia, tstoloogia, geneetika jt. teaduste areng 20. sajandi keskel ti ha lhemale bioloogiliste struktuuride ja protsesside ksitlemise molekulaarsel tasemel. Edu hes vi teises valdkonnas hakkas sltuma molekulaarsete struktuuride ja funktsioonide mistmisest, makromolekulide asukoha ja rolli kindlakstegemisest raku ainevahetuses. Biokeemia edukik vlgneb tnu eelkige ha tiuslikematele vahenditele, millega eraldada, fraktsioneerida ja mrata kudedest aineid. Nii tulid uurijate ksutusesse kromatograafia, elektroforees ja tsentrifuugimine ning elektronmikroskoop, spektrofotomeetria, rntgenstruktuurianals jm.

1944. aastal avaldas Erwin Schrdinger raamatu Mis on elu?, mis phines aasta varem peetud loengutel ning sai teadusringkondades kohe populaarseks. Schrdinger seletab elunhtusi, eelkige prilikkust kvantfsika seisukohalt: vis arvata, et prilikkus on mingi kvantmehhaaniliste fluktuatsioonide eest kaitstud aperioodiline kristall, mida teiste snadega viks kirjeldada ka kui mitteidentsetest hikutest koosnevat polmeeri.

Schrdingeri lhenemisviis oli lpuni abstraktne. Seejuures ei tutvusta teos uurimistid ega ksikksimusi, vaid vaatleb prilikkust kui ndisaegse loodusteaduse rmiselt pnevat ja huvipakkuvat probleemi. Tema t mju teadlaskonnale seisnes filosoofilises uudsuses. Kuni 1950. aastani vis uskuda, et bioloogilised makromolekulid, nende seas prilikkuse kandjad, vivad phimtteliselt erineda elutust ainest. Seetttu tuli DNA lihtne ehitus ja temas sisalduva informatsiooni silitus- ja paljundamisviis pigem llatusena. Komplitseeritud ksimuse sedavrd lihtne lahendus vis tunduda uskumatu isegi lihtsameelsele materialistile ja tingis ka paljude nimekate biokeemikute kahtluse mudeli igsuses.


DNA roll thtsustub. Olulise nihke prilikkuse kandjast arusaamises tegi ameeriklane Oswald Avery, Rockefelleri instituudi mikrobioloog. Ta testas veenvalt DNA mrava osa prilikkuses, see t ilmus veebruaris 1944. Tegelikult oli bakterite prilikkuse materiaalse kandja uurimine pikka aega ks tema laboratooriumi tegevuse krvalliine. Juba 1942. aastaks oli transformeeriv alge sedavrd puhastatud, et vis olla kindel: valku selles preparaadis ei leidu, tegu on DNA-ga. Kuigi eksperimendid olid veenvad, ei aktsepteerinud teaduslik ldsus tulemust vastuvaidlematult tingituna eelkige juba tugevasti juurdunud arvamusest, mis kinnitas selle rolli valgule.

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

1950. aastaks oli selgunud, et DNA on polmeer ning tema struktuuris mngivad thtsat rolli vhetuntud vesiniksidemed. Rntgenstruktuurianalsi andmetest oli teada perioodilisus tema pikitelje suunas ning puriin- ja primidiinaluste asend risti molekuli pikiteljega. 1952 publitseeriti DNA he komponendi tstidiini kristallstruktuur, millest selgus veelgi ksikasju. Olulisi andmeid olid lisanud ka keemikud, tpsustades molekulis puriin- ja primidiinaluste vahekordi, mis lkkas mber tetranukleotiidide teooria. Erwin Chargaffi andmetest ilmnes seejuures, et DNA adeniini- ja tmiini, samuti guaniini- ja tstosiinisisaldus on vrdsed. Sellest sai ks DNA kaksikheeliksi avastamise alustalasid.

Niisiis oli DNA-uurimustes 1950. aastateks selgeks tehtud nii tema bioloogiline roll kui ka molekuli tpne keemiline ehitus. Lhemale oli jutud ka tema struktuursete iserasuste mistmisele. Siiski oli selleks, et teha kindlaks molekuli tegelik ruumiline ehitus, vaja veel kas hulganisti tsist td vi ritada kesisevitu teadmiste kiuste seda n.-. ra arvata.


Watson ja Crick. Tol ajal polnud srav eksperiment vimalik. kski tuntud meetod poleks seda vimaldanud, ka mitte DNA fiibrite rntgendifraktsioonianals. Praegusel ajal leiame teaduslikus kirjanduses ha uusi ja uusi ksikasjadeni tpseid DNA kaksikhelikaalsete struktuuride kirjeldusi, kll modifitseeritud keemilise ehitusega, kll kompleksis eri valgumolekulide, antibiootikumite ja teiste ainetega. Kuid need struktuurid on leitud juba teliste kristallide struktuuranalsi abil, kasutades oligonukleotiide ehk lhemaid kaksikhelikaalse DNA ligukesi, mis koosnevad tavaliselt kuuest kuni kaheteistkmnest aluspaarist. Nende valmistamise ja kristalliseerimise kunst omandati aga alles paarikmne aasta eest.

Kristallograafide, eriti Rosalind Franklini suur soov oli selgitada DNA struktuuri just rntgenstruktuurianalsi andmetele tuginedes. Oma suurimaks eeskujuks vis ta pidada teist tuntud inglast Oxfordi likoolist, kristallograaf Dorothy Hodgkinit, penitsilliini ja insuliini struktuuri kirjeldajat. DNA struktuuri mistatuse lahendamine rntgendifraktsiooni meetoditega nudnuks kaheldamatult pikemaajalist td ning eeldanuks ka teiste fsikalis-keemiliste meetodite kasutamist

Tollast DNA keemilise struktuuri ja fsikaliste omaduste andmestikku pidasid vaid vhesed teadlased piisavaks, et teha asjalikke oletusi DNA molekulaarse struktuuri kohta. Ometi oli 1950. aastate alguses olemas vhemalt ks positiivne nide, et molekulaarne modelleerimine vib makromolekulide korral anda hid tulemusi. Nii oli ameerika keemik Linus Pauling kirjeldanud valgumolekulide struktuuri ht liolulist koosteosa, nn. alfa-heeliksit, lhtudes samuti kllaltki nappidest katseandmetest. Polnud phimttelist takistust, miks ei viks DNA-d, kuigi struktuurilt mrksa komplitseeritumat molekuli, modelleerida samal moel.

See mte hakkas arenema James Watsoni peas, kui ta prast doktorikraadi kaitsmist Indiana likoolis staeeris Euroopas. Kuigi Watsonil polnud kllaldast ettevalmistust uurimistks bioloogiliste makromolekulidega, oli ta sgavalt veendunud probleemi thtsuses ning tiivustatuna Paulingi edust sama laadi probleemi lahendamisel asus ta entusiasmiga struktuuri vlja selgitama. DNA struktuuri uurimisest kujunes omamoodi vistlus, milles osalesid kristallograafid Rosalind Franklin ja Maurice Wilkins Londoni likoolist, John Bernali doktorant norralane Sven Furberg Birkbeck Collegeist Cambridgeis, kuulus keemik Linus Pauling California likoolist ning teisedki. Sven Furberg oli leidnud DNA he koostisosa, tstidiini kristallstruktuuri ning selle phjal esitas ta 1952. aastal ka oma DNA mudeli. Otseselt DNA-ga ttamast segas teda aga John Bernali teiste kristallograafidega slmitud dentelmenlik kokkulepe, mille alusel ta kohustus uurima vaid madalamolekulaarseid hendeid. Eksliku mudeli esitas ka Pauling, kelle ebanne vib kirjutada eelkige selle arvele, et tal polnud DNA-d lhemalt tundvaid kaasttajaid hoolimata varasematest katsetest kutsuda oma laborisse tle DNA asjatundjaid Euroopast [1].

Ttades kuulsas Cavendishi laboratooriumis Cambridgeis Inglismaal, hendas James Watson oma jupingutused Francis Cricki teadmiste ja oskustega. Paljud imestavad: kuidas sai selle vgitkiga hakkama just James Watson oma ettevalmistuse ja teadmiste poolest tunduvalt tagapool paljudest kolleegidest, kes tundsid palju sgavamalt makromolekulide ehitust. Kahtlemata oli siin ks mrav tegur Watsoni kindel tahe asi selgeks teha, usk vimalusse leida lahendus seniste andmete alusel. Sellele vib lisada tema sbra Francis Cricki suure vaimse aktiivsuse, suhtlemisoskuse ja lbikimise paljude kolleegidega, mis lppkokkuvttes vimaldas noppida hulganisti kasulikke teadmisi. Ei maksa unustada ka Cricki lbimeldud matemaatilisi phjendusi helikaalsete struktuuride rntgendifraktsiooni kohta.

Ajakirja Nature 1953. aasta 25. aprilli numbris ilmus James Watsoni ja Francis Cricki lhike teadaanne DNA oletatava struktuuri kohta, mis on koosklas katsete philiste faktidega. Elegantselt lihtne ja phjendatud mudel (vt. joonist) ratas teenitud thelepanu. 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 phijoontes 50 aastat tagasi. Arvestades molekulaarbioloogia praegust krgseisu ja rakendusi, on see tegelikult lhike ajavahemik. Mdunud aastakmnete kestel oleme vinud tunnistada uue teaduse hmmastavalt kiiret arengut: alates Watsoni-Cricki mudeli esitamisest kuni paljude prilikkusega seotud protsesside mtestamise ja lipikkade nukleotiidjrjestuste, kaasa arvatud inimese DNA, kindlakstegemiseni ndisajal. Oleme Watsoni ja Cricki lihtsa skeemikese abil saanud vastuse paljudele ksimustele, mis vaevasid nii geneetikuid kui ka biokeemikuid le saja aasta: kuidas seletada prilikkust, muutlikkust, bioloogilist evolutsiooni.

Philine osa bioloogidest on filosoofilises mttes alati olnud materialistid, kes on eeldanud, et eluta looduses tuntud keemilised ja fsikalised seadusprad toimivad samamoodi ka elusssteemides. Elu phineb lppkokkuvttes makromolekulide omavahelistel seostel ja toimetel, nende mjustuste ks slmpunkt asub nukleiinhapete ja valkude molekulaarsetes struktuurides.

Kokku vttes: selle asemel, et imetleda elusorganismi kui suurt lahendamata saladust, vime praegusajal elu vi vhemalt mnda tema thtsat osa imetleda kui lipeent ja tkindlat masinavrki, millest kui tervikust ei ole meil veel tit arusaamist, kuid mille poole teadus on arenemas. DNA struktuuri ja funktsiooni tundmappimine on selle parim nide.


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: 1139.


Ergo Raukas (1935) on biofsik, bioloogiakandidaat. Ttab eksperimentaalbioloogia instituudis vanemteadurina.



Ergo Raukas
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012

Mis see on?
E-posti aadress:
Liitun:Lahkun: 
Serverit teenindab EENet