Teaduse arengut tõsiselt mõjutanud mudel loodi ainsagi omakäelise eksperimendita

1953. aasta aprillis, niisiis 50 aastat tagasi, ilmus ajakirjas Nature leheküljepikkune artiklike pealkirjaga "A Structure for Deoxyribonucleic Acid" (Desoksüribonukleiinhappe struktuur). Autorid ameeriklane James Watson ja inglane Francis Crick. Vaatamata oma lühidusele osutus selle artikli tähendus bioloogiateaduste edasisele arengule erakordselt viljastavaks. Selles väljapakutud DNA struktuur kaksikheeliksi näol tundus tõepärane ja oli kooskõlas samaaegselt ilmunud Inglise teadlaste Maurice Wilkinsi ja Rosalind Franklini artikli andmetega DNA röntgendifraktsiooni kohta. Olles hõivatud tegeliku uurimistööga, ei esitanud Fraklin ega ka Wilkins omalt poolt mingeid mudelivariante. Võiks arvata ka, et tõsiste eksperimentaatoritena pidasid viimased DNA tõepärase mudeli konstrueerimist esialgu lihtsalt võimatuks või vähemalt enneaegseks. Kuid nüüd kiitsid nad esitatud mudeli heaks.

Watsoni ja Cricki töö tulemusena selgus, milline näeb välja molekul, mis kannab organismi pärilikke omadusi praktiliselt muutumatult ühelt põlvkonnalt järgnevale, ja seda läbi aastamiljonite. Molekuli põhimõtteliselt lihtne ehitus võimaldas seejuures koheselt teha kaugeleulatuvaid järeldusi ka selle kohta, mil viisil pärilikul teel edasikantavaid andmeid kasutatakse organismi ülesehitamiseks ja elutegevuseks ning kuidas selles molekulis võiksid ajapikku toimuda evolutsiooni aluseks olevad väiksemad või suuremad muutused ehk mutatsioonid.
Oma keemilise ehituse poolest on DNA polümeer, mille ahel koosneb vahelduvalt fosfaatrühmadest ja suhkrujääkidest. Viimased seovad omakorda ühendeid, mida nimetatakse puriin- ja pürimidiinalusteks. Keemikud olid selle välja selgitanud juba 1930. aastateks. Watsoni ja Cricki teene seisneb selles, et lähtudes kõnealuse molekuli kohta suhteliselt vähestest teadaolevatest andmetest, suutsid nad esitada keeruka keemilise koostisega polümeeri ruumilise, kolmemõõtmelise struktuuri. Nende esitatud mudeli järgi koosneb DNA molekul kahest teineteisega nõrkade nn vesiniksidemetega seotud polünukleotiidahelast. Watsoni avastuse aluseks on idee, et ühele nukleotiidile esimeses ahelas vastab alati kindel nukleotiid teises ahelas. Väga oluliseks lähtekohaks oli seejuures Erwin Chargaffi poolt 1950. aasta paiku tehtud avastus, et vaatamata DNA molekuli päritolule on tema oluliste koosteosade adeniini (A) ja tümiini (T) suhteline sisaldus, nagu ka guaniini (G) ja tsütosiini (C) sisaldus katse täpsuse piires võrdsed: A = T ja G = C.
Kaksikheeliksi niisuguse ehitusviisiga võis põhjendada geneetilise informatsiooni dubleerimist, mis toimub enne raku pooldumist: teades nukleotiidide järjestust ühes ahelas, võib pealekaksikheeliksi lahtiharutamist alati sünteesida puuduva teise ahela, ning lõpptulemusena saada kaks identset kaksikheeliksit, üks kummalegi tütarrakule.

Ettekujutus DNA-st küsimärgi all

Esmakordselt eraldas DNA rakutuumast Saksa biokeemik Friedrich Miescher juba 1869. aastal. Algul nimetati seda nukleiiniks, hiljem tümonukleiinhappeks ja edaspidi veel mitmel muul moel, mis viitavad selle aine leidumisele rakutuumas. Veel 19. sajandi lõpul kirjeldasid Nobeli preemiaga pärjatud Saksa biokeemikud Albrecht Kossel ja Emil Fischer DNA põhilisi keemilisi koostisosi. Tõsi, DNA funktsiooni kohta rakus midagi usutavat ei teatud, vaid aeg-ajalt avaldati oletusi tema seotuse kohta pärilikkusega. Keemikute töö kokkuvõttena ilmus 1930. aastail monograafia, kus päris õigesti kirjeldati DNA-ahela keemilist struktuuri. Selle nn tetranukleotiidmudeli kohaselt moodustasid mingis senitundmatus, aga kindlas järjekorras paiknevad nukleotiidid A, T, G ja C nelja kaupa seostudes uue ühiku, mis mitmete kordustena andsidki kokku DNA polümeerse molekuli.
Watsoni ja Cricki töö oli saanud tõuke vähem kui kümmekond aastat varasemast ajast, aastast 1944, mil Ameerika teadlased Oswald Avery jt esitasid oma uurimistöö tulemused desoksüribonukleiinhappe (DNA) määravast osast pärilikkuses. Kuni Avery avastuseni olid üldlevinud arvamuse kohaselt pärilikkuse aluseks pigem keeruka struktuuriga valgumolekulid, mis erinevalt DNA-st koosnevad paarikümnest erinevast monomeerist (aminohappe jäägist) ja evivad seega enam võimalusi keerukate struktuuride moodustamiseks.
Avery avastus DNA osast pärilikkuses pani küsimärgi alla senise ettekujutuse DNA-st, ning tänu keemikute edasisele tööle ja ka Watsoni-Cricki avastusest saadud tõukele näidatigi 1950. aastate lõpuks, et DNA molekul võib sisaldada väga erinevaid nukleotiidjärjestusi, neljast tähest A, T, G, ja C koostatud n-ö teksti, seega kodeerida olulist informatsiooni. Ka nelja erineva nukleotiidi sisaldus erinevate bioloogiliste objektide korral oli isesugune ning objektile iseloomulik.

Makromolekulide kolmemõõtmeline struktuur

Teadagi: julge pealehakkamine on pool võitu! Mitte alati ei tarvitse selle hüüdlause järgi talitamine anda oodatud tulemust. Ent juhul, kui selleks on objektiivsed eeldused - kõik vajalikud elemendid on tuntud ja süsteemi käitumise põhireeglitest õigesti aru saadud -, võib seda ju loota. Molekulide modelleerimist kui nende kolmemõõtmeliste struktuuri kindlakstegemise meetodit ei oldud kuni Watsoni ja Cricki artikli ilmumiseni veel nii ulatuslikult kasutatud.
Samas, paralleelselt üha keerulisema keemilise koostisega ühendite avastamisega, oli muutunud nende ruumilise struktuuri määramine üha keerukamaks, ühtlasi aga ka pakilisemaks probleemiks. Kui väiksemate molekulide uurimiseks oli leitud sobiv abivahend röntgendifraktsiooni meetodi näol, siis suuremate molekulide korral oli see meetod esialgu veel sobimatu. Muuseas, selles laboratooriumis (Cavendish Laboratory), kus Watson koos Crickiga Inglismaal Cambridge'is töötas, oli juhatajaks William Lawrence Bragg. Seesama mees, kes koos oma kuulsa isa Sir William Henry Braggiga oli 1915. aastal saanud Nobeli preemia just röntgenkristallograafia alal. Vaatamata ülesande raskusele - rakendada röntgendifraktsiooni meetodit tuhandetest aatomitest koosnevate molekulide uurimiseks - oli W. Bragg juba 1930. aastail koos hilisemate, 1962. aasta Nobeli laureaatide John Kendrew ja Max Perutziga kasutanud valgukristallide uurimisel röntgenstruktuuranalüüsi. Iseasi, kuivõrd tema hinnatud kristallograafina oma südames võis heaks kiita seda ebamäärast tegevust DNA struktuuri leidmiseks, millega tegelesid Watson ja Crick, ja mis toetus vaid vähestele lähteandmetele.
Avery töö tulemused DNA osast pärilikkuses ei olnud saavutanud kohe teadlaskonna täielikku ja üksmeelset heakskiitu, see toimus aegamisi. Vaatamata sellele, olid mitmed teadlased asunud tasapisi mõtlema selle üle, kuidas niisugune molekul võiks välja näha. Ülesande püstitamine niisugusel kujul, lähtudes minimaalsetest katseandmetest, tundub päris utoopiline. Ja nii sellesse teaduslik üldsus ka suhtus, mõned vähesed asjassepühendatud välja arvatud. Ometi ei olnud küsimuse püstitamine struktuuri kohta täiesti pretsedenditu: veidi varem oli California Ülikooli keemik, Nobeli keemiapreemia laureaat Linus Pauling, kellele hiljem anti ka Nobeli rahupreemia (1962), saavutanud kuulsuse just valkude põhilise koostisosa - ?-heeliksi modelleerimisega. See tugines samuti väga piiratud andmestikul ja demonstreeris modelleerimise kui meetodi suuri võimalusi. "Paulingi saavutus oli lihtsalt terve mõistuse vili," ütles sellest innustust saanud James Watson, kelle suurimaks sooviks oli seda saavutust korrata DNA molekuliga.
Ometi jõudis Linus Pauling esitada ka DNA ruumilise struktuuri mudeli, ja seda paar kuud enne Watsoni-Cricki töö ilmumist, niisiis märtsis. Aga viimaste õnneks - eksliku. Paulingi mudel tugines molekuli pikiteljel asuvate fosfaatide ahelale.

Watsoni-Cricki mudel

Lisaks keemilise valemi tundmisele oli 1950. aastate algupoolel DNA kohta üht-teist teada ka füüsikute uurimistöödest. Eriti puudutab see röntgendifraktsiooni. Muidugi mõista ei olnud ka need andmed kaugeltki piisavad DNA ruumilise struktuuri otseseks leidmiseks. Need katsed olid tehtud Londoni Ülikoolis ning Watson ja Crick ei olnud nendega algselt tuttavad. Kokkuvõtvalt võiks öelda, et DNA kolmemõõtmelise struktuuri edukaks mõistatamiseks olid olemas vaid küllaltki ebamäärased lähtekohad: DNA molekuli niitjas (fibrillaarne) kuju, puriin-pürimidiinaluste paiknemine risti molekuli pikiteljega, mõningad andmed DNA molekulide röntgendifraktsiooni kohta, molekulide läbimõõt (kaks nanomeetrit). Samuti Rosalind Franklini poolt kindlaks tehtud fosfaatrühmade paiknemine DNA molekuli äärealas. Kõige olulisemaks tuleb siiski pidada juba eespool mainitud Edward Chrgaffi avastust puriin- ja pürimidiinaluste omavahelise hulgalise vahekorra kohta (A = T, G = C).
Mudeliehitajate tegelik probleem oli - keda ja mida uskuda, keda ja mida mitte. Mudeli kokkupanekul unustati kord üks, kord teine nõue, või siis eirati neid, kui see tundus põhjendatud. Lisaks loetletud teaduslikele faktidele oli mitmes asjas eriarvamusi ja ka teaduslikke pseudofakte, n-ö müra, mis tuli tähelepanuta jätta. Andmed DNA röntgendifraktsiooni kohta said tegelikult kättesaadavaks alles modelleerimise hilisemas staadiumis. Seejuures olid varasemad röntgenogrammid - ka need olid Watsonile ja Crickile algselt kättesaamatud - saadud DNA preparaatidest, mille veesisaldus oli väike (A-vorm): molekuli helikaalne kuju ei ilmnenud neist kuigi selgelt. Alles Rosalind Franklini hilisemad röntgenogrammid suure veesisaldusega DNA preparaatidest (nn B-vorm) lubasid ilmeksimatult rääkida molekuli helikaalsest kujust.

Mis juhtus edasi?

Kõigele eeltoodule vaatamata said Watson ja Crick enamikku teadlasi rahuldava DNA mudeli koostamisega hakkama, tegemata ainsatki omakäelist eksperimenti! Märtsis 1953 oli artikli käsikiri valmis. Arvestades probleemi tõsidust ja William Braggi toetust, ilmus see trükituna praktiliselt juba kolme nädala pärast toimetusse saabumise hetkest. Rosalind Franklini katseandmed, mis paljuski olid mudeli aluseks, suunati trükki juba kuu aega varem ja ilmusid peatselt ajakirjas Acta Crystallographica, samuti lühiteatena koos Watsoni-Cricki artikliga ajakirjas Nature. Seal avaldati ka Maurice Wilkinsi artikkel. Veelgi hilisemad, juba täpsemad andmed DNA röntgendifraktsiooni kohta olid esitatud mudeliga heas kooskõlas.
Selles valdkonnas peab kaheldamatult parimaks saavutuseks pidama hiljem Londoni Ülikooli King's College'is Wilkinsi tehtud difraktsioonipilte, kus tavaliste, naatriumi sisaldavate DNA preparaatide uurimise asemel kasutati DNA struktuuri tundmaõppimisel liitiumi ioonide juuresolekut. Selle tulemusel saadi suure lahutusvõimega röntgenogramm, mille edasine tõlgendamine andis Watsoni-Cricki mudelile juba tõsise eksperimentaalse tõestuse. Need difraktsioonipildid DNA kiududest ehk fiibritest, mis võimaldasid leida DNA heeliksit iseloomustavad keskmistatud väärtused, jäidki selle meetodiga saavutatud tulemuste tipuks. Tänaseks on DNA struktuuri täpsustatud üksikaatomite tasemini.
Peatselt sai DNA kaksikheeliksi struktuur lähtepunktiks paljudele uutele uurimissuundadele. Selle kohta, kuidas paljundatakse geneetilist teksti rakkude pooldumisel, esitasid Watson ja Crick hüpoteesi artiklis, mis ilmus samuti ajakirjas Nature napilt kuu aega pärast esimest artiklit. Edasiste uurimistööde üheks oluliseks lüliks kujunes küsimus, kuidas nukleotiidide järjestusest DNA-s saadakse aminohapete järjestus valgumolekulis. Seda probleemi lahkasid - algul vaid teoreetiliselt - ka Francis Crick, samuti mitmed teadusmaailmas tuntud nimega teadlased, näiteks vene päritoluga USA astrofüüsik George Gamow ja teised. Mitu tähte on koodimärgis (sõnas), kas sõnade vahel on n-ö kirjavahemärgid, mis sõnu eristavad? Kas on märke, mis tähistavad teksti lõppu jne? Paljud neist probleemidest leidsid vastuse katseandmetest juba kümmekonna aasta jooksul ja tipnesid geneetilise koodi kindlakstegemisega juba 1960. aastate keskpaiku.
DNA kaksikhelikaalne mudel on eelkõige Watsoni noorusliku julguse pealehakkamise ja järjekindluse, aga ka juhuse ja õnne triumf, mille taga võib tihti täheldada ka hoolimatust mitmete teadlaskonnas omaksvõetudd põhimõtete vastu. Watsoni-Cricki kaksikheeliksi mudel oma põhilises osas on vastu pidanud kõigile möödunud aja jooksul ette tulnud katsumustele. James Watson, Francis Crick ja Maurice Wilkins pälvisid 1962. aastal Nobeli preemia. Rosalind Franklin jäi sellest ilma, sest suri 1958. Oswald Avery artikkel oli tema pikaajalise teadustöö üks viimaseid. Ta suri 1955 ning ei ole kunagi Nobeli preemiate nimistusse sattunud, kuigi oleks autasu väärinud.
Olenemata neile osutatud tähelepanu suurusest algas aga tänu nimetatud meestele bioloogiateadustes uus, DNA-ajastu.

ERGO RAUKAS (1935) on Eksperimentaalbioloogia Instituudi vanemteadur, bioloogiakandidaat.