Ugledni fizik Ernest Rutherford je nekoč izjavil, da pozna le dve vrsti znanosti: fiziko in zbiranje znamk. To, na prvi pogled neverjetno ošabno izjavo, je zapisal ravno v času velikih uspehov moderne fizike, ko so njena nova spoznanja temeljito spremenila ne le podobo same naravoslovne znanosti, temveč tudi celotne družbe. Nove tehnologije, ki so jih s seboj prinesla fizikalna odkritja začetka dvajsetega stoletja, so močno posegla v naš vsakdanji svet in ga bistveno spremenila. Brez novih odkritij fizike gotovo ne bi bilo televizije, mobitelov in računalnikov. Danes, stoletje po tem, smo morda na pragu podobnih prelomnih časov, ko bodo tokrat nove biološke tehnike ponovno bistveno posegle v naš vsakdan. Zelo verjetno bi danes Rutherford svoje »poznavanje« znanosti razširil tudi na biologijo.
Skrivnost življenja
Kamorkoli se ozremo, nas obkroža živa narava. Zanjo je značilna neverjetna raznolikost posameznih oblik življenja. Ocenjujejo, da je na Zemlji med 10 in 100 milijoni različnih vrst živih bitij. Čeprav so organizmi žive narave na videz zelo različni in v njihovem izgledu težko najdemo kako skupno značilnost, so že naši davni predniki vedeli, da se od nežive narave ločijo po lastnosti, ki so jo poimenovali življenje. Od starih Grkov naprej, ki so prvi začeli resno in sistematično razmišljati o mehanizmih delovanja narave, je bila skrivnost ločnice med živim in neživim ves čas v središču zanimanja naravoslovcev. Skozi tisočletja so mnogi veliki umi človeštva poskušali razumeti »čudež življenja« in se trudili najti njegovo definicijo, vendar dlje od hipoteze o nekakšni »živi sili«, ki v neživo naravo vnese življenje, dolgo časa niso uspeli priti.
Letos mineva pol stoletja odkar je človeštvo prišlo do prelomnega spoznanja. Skrivnost življenja se ne skriva v nekakšni »živi sili«, ki bi oživljala neživo materijo, ampak v zapisu, ki hrani informacije o delovanju živega. Skrivnost življenja je v znanju kopiranja, prepisovanja in prevajanja pisave življenja, ki ima obliko dvojne vijačnice DNK. V dobi informacijske družbe, ko smo povsod obkroženi z računalniki, nam pojem informacije ni tuj. Dobro se zavedamo, kako težko se je glede univerzalnega zapisa informacij uskladiti. Že samo za zapis besedila, glasbe in videa je danes na voljo nepregledno veliko različnih kodov. Tudi žive celice znajo, tako kot računalniki, brati in prepisovati informacije. Čeprav so na »tržišču« že več kot 3,5 milijarde let, pa še vedno prav vse uporabljajo isto pisavo. Tako lahko informacijo, ki jo zapiše ene celica, teoretično prebere tudi katerakoli druga celica. Del zapisa informacije iz človekove celice lahko vgradimo recimo v bakterijo in bakterijska celica ga bo lahko brala in prepisovala.
Celotnemu zapisu vseh informacij živega bitja pravimo genom. Matt Ridley je v svoji izvrstni knjigi (Genom – biografija človeške vrste) zapisal zanimivo analogijo: »Zelo dobro prispodoba za genom je kar običajna knjiga, ki jo sestavlja veliko zgodb, ki jim pravimo geni. Vsako zgodbo sestavljajo odstavki, imenovani eksoni, ki jih prekinjajo reklame, imenovane introni. Vsak odstavek je sestavljen iz besed, imenovanih kodoni. Vsako besedo sestavljajo črke, imenovane baze.« Najmanjši znani genom ima bakterija Mycoplasma genitalium, ki ga sestavlja borih 477 genov. Najmanjša znana »knjiga« živega bitja ima torej nekaj manj kot 500 zgodb in za njen zapis je narava porabila nekaj več kot dvesto tisoč besed. Pred kratkim prebrani človeški genom je med rekorderji »romanov življenja«. V njem je s tremi milijardami črk zapisanih 30.000 zgodb. »Če bi človeški genom bral s hitrostjo ene besede na sekundo osem ur na dan, bi mi branje vzelo celo stoletje. Če bi črka človeškega genoma merila milimeter, bi bilo besedilo dolgo kot Donava. To je orjaški dokument, velikanska knjiga, recept izjemne dolžine, ki pa je v mikroskopskem jedru majcene celice, ki bi jo zlahka postavili na bucikino glavico.«
Narava uporablja za pisanje svojih romanov zelo preprosto abecedo, v kateri so le štiri črke. Štiri dušikove baze, ki gradijo DNK imenujemo adenin (A), citozin (C), gvanin (G) in timin (T). Tudi njen besedni zaklad ni ravno pester, saj so vse besede v »jeziku življenja« sestavljene zgolj iz treh črk. Genomi so zapisani v dolgih molekulah DNK, ki se lahko pod pravimi pogoji prepisujejo, berejo in prevajajo. V jeziku narave velja preprosta kemijska slovnica, po kateri se »A rad pridruži T-ju, G pa C-ju.«
V tej lahkotni razlagi se skriva petdeset let intenzivnega raziskovanja. Priča smo bili revoluciji, ki je molekulo DNK postavila v središče biologije in napravila iz nje ikono, ki ji težko najdemo primerjavo v drugih znanostih. Petdeset let omejujeta dva mejnika. Zgradba dvojne vijačnice, ki so jo odkrili v začetku petdesetih let prejšnjega stoletja in človeški genom, ki smo ga razvozlali v prvih letih novega stoletja. Vmes se skrivajo neštete študije in metodološke izboljšave, ki so odstrle tančico procesiranja informacije v živih celicah. Pokukali smo v mehanizme, ki omogočajo, da se »romani življenja« podvajajo, prepisujejo, prevajajo in celo popravljajo, če pride do napak. Naučili smo se brati lasten roman. Naučili smo se celo spreminjati posamezne dele besedila, jih kopirati in vstavljati nova poglavja. Vse to je dodobra spremenilo biološke znanosti. Pojavile so se nove discipline in usmeritve, ki brez DNK ne shajajo več: molekularna biologija, biotehnologija, gensko inženirstvo, molekularna diagnostika, genomika…
Žive celice kot kemične tovarne
Danes vemo, da so živa bitja zgrajena iz celic, ki delujejo kot male kemične tovarne. Iz svoje okolice črpajo snovi, se obnavljajo in ustvarjajo vedno nove kopije samih sebe. Večina živih bitij na našem planetu je enoceličnih, vendar v vsakdanjem svetu srečujemo predvsem velike multicelične organizme, pri katerih so si celice med seboj razdelile delo. Primer takšne tvorbe, ki jo sestavlja kar 1013 celic, je človeško telo kot verjetno najbolj zapletena stvar v vesolju. Vendar nastanejo tudi tako kompleksni sistemi celic, kot sta recimo kit in slon, iz ene same celice. Vsa skrivnost življenja je skrita v mali celici, ki običajno ni večja od stotine milimetra.
Prva resna znanstvena spoznanja o ključni vlogi celic kot temeljnih nosilcev življenja, so se pojavila v sredini devetnajstega stoletja, prav v času, ko je Darwin javno predstavil svojo teorijo evolucije z naravno selekcijo. Nekaj nemških patologov je poročalo, da se žive celice zmeraj razmnožujejo z delitvijo – nova celica nastane vedno iz že obstoječe celice. Ko so izboljšali tehnike opazovanja celic pod mikroskopom, so opazili, da se pri vsaki delitvi celice v njenem jedru dogaja nekaj nenavadnega. Ko se je celica pripravljala na delitev, so se v jedru pojavili kromosomi. Kaj neki so kromosomi počeli v celici med delitvijo? Ob koncu devetnajstega stoletja je bilo že povsem očitno, da imajo kromosomi ključno vlogo pri celični delitvi, v tridesetih letih dvajsetega stoletja pa so že vedeli, da so kromosomi sestavljeni iz beljakovin in spojine, ki so jo poimenovali DNK. Vendar so bili takrat vsi bolj ali manj prepričani, da je ključ za razrešitev »uganke življenja« v beljakovinah in ne v DNK. Ker so vedeli, da celice proizvajajo beljakovine, so preprosto sklepali, da kromosomi vsebujejo matrice vseh beljakovin, ki ji celica lahko proizvede. Ta, sicer prepričljiva, a na žalost povsem napačna razlaga, je imela močno podporo med takrat uglednimi znanstveniki. Američan Phoebus Levene, ki je ugotovil kakšna je kemijska zgradba DNK in je veljal za enega največjih strokovnjakov s področja analize DNK, je na podlagi svojega dolgoletnega raziskovanja trdil, da je DNK majhna, preprosta in dokaj dolgočasna spojina, zato gotovo nima zmožnosti usmerjanja kaj tako zapletenega, kot je delovanje žive celice.
Na istem inštitutu v New Yorku, kjer je delal Levene, pa je raziskovalna skupina po vodstvom Oswalda Averyja iz bakterije, ki povzroča pljučnico, izolirala spojino, ki so jo poimenovali »transfomacijski faktor«. Ta je imel sposobnost, da je drugemu tipu bakterije vsilil nekaj lastnosti prve bakterije. Te vnesene lastnosti so se dedovale, saj so jih opazili tudi na potomcih okuženih bakterij. Averyjeva skupina je potrebovala kar nekaj let, da je ugotovila sestavo »transformacijskega faktorja«. Leta 1944 so razglasili, da ga sestavlja čista DNK in ne beljakovine. Seveda ugotovitev, da je prav DNK ključna kemična spojina, ki je odgovorna za obnašanje celic, ni dobila takojšne podpore znanstvene javnosti. Govorilo se je, da so za uspeh Averyjevega poskusa odgovorne nečistoče v izolirani DNK in ne DNK sama, pa tudi dejstvo, da so poskus izvedli zgolj na eni sami vrsti bakterij, ni bilo dovolj, da bi lahko zaključke raztegnili na dogajanja v vseh celicah. Čeprav so Averyjevi poskusi sprožili razpravo, »resni znanstveniki« vseeno niso mogli verjeti, da bi tako preprosta spojina kot je DNK, lahko držala vse ključne niti v svojih rokah. Njena kemična analiza je pokazala, da jo sestavljajo zgolj štiri različne kemične sestavine ali baze. Levene je takrat celo trdil, da so te štiri baze urejene v pravilnem ponavljajočem se vzorcu, zato nikakor ni bilo jasno, kako bi lahko tako dolgočasna spojina sploh prenašala kako informacijo, kaj šele navodila za razvoj in delovanje celotnega živega organizma.
Watson in Crick razvozlata jezik žive narave
Tu v našo zgodbo vstopi mladi Američan James Watson, ki se za mnenja uglednih mož svojega časa ni pretirano menil. Prepričan je bil namreč, da se skrivnost življenja ne skriva v dolgočasni kemični sestavi DNK, ampak v njeni zgradbi oziroma v prostorski razporeditvi njenih kemičnih sestavin. Da bi izvedel kar največ o zgradbi DNK, se je odpravil v angleški Cambridge, kjer je bil takrat najboljši svetovni center za rentgensko spektroskopijo, s pomočjo katere so ugotavljali strukture kemičnih spojin. Metoda strukturne analize, ki sta jo med prvo svetovno vojno razvila William Henry Bragg in njegov sin Lawrence, deluje tako, da z žarki x posvetijo na kemično spojino in gledajo, kakšen vzorec tvori svetloba na drugi strani. Z matematično analizo vzorca črt in pik, ki ga naredi sipana svetloba, lahko sklepajo na kristalno strukturo opazovane spojine. Metoda se je zelo izkazala, zato sta oče in sin Bragg zanjo leta 1915 dobila Nobelovo nagrado.
Watson je prispel v Cambridge jeseni 1951, star komaj 23 let in z doktoratom v žepu. Zaradi pomanjkanja prostora na inštitutu so ga namestili v sobo skupaj z Francisom Crickom, ki je, v nasprotju z Watsonom, s svojim doktoratom že močno zamujal. Svoje prve vtise o Cricku je Watson opisal v knjigi Dvojna vijačnica: »Takrat je bil star petintrideset let, a skoraj popolnoma neznan. Čeprav je nekaj njegovih sodelavcev poznalo vrednost njegovega hitrega uma, tako da so ga pogosto prosili za nasvet, mu tega često niso priznali in večina ljudi je mislila, da preveč govori.« Crick in Watson sta kmalu spoznala, da se strinjata o ključni vlogi strukture DNK za pojasnitev skrivnosti življenja. Po daljših pogovorih sta ugotovila, da je za strukturo DNK najboljši kandidat vijačnica. Za zgraditev natančnejše slike zgradbe DNK molekule pa sta nujno potrebovala čimveč eksperimentalnih podatkov. V tistem času so bile to predvsem natančne uklonske slike DNK. Čeprav je bil Cambridge še vedno pomemben laboratorij za kristalografijo, so bili s konkretnimi kristalografskimi raziskavami DNK veliko dlje v skupini Maurica Wilkinska na Kraljevem Collegeu v Londonu. Wilkinskov laboratorij je imel v tistem času daleč najboljše difrakcijske slike DNK. Novembra 1951 se je Watson odpravil v London, da bi na seminarju iz prve roke izvedel, kaj vse tam že vedo o strukturi DNK. Na predstavitvi je nove kristalografske slike DNK predstavila članica Wilkinsonove skupine Rosalind Franklin, ki jih je večinoma tudi sama posnela. »Govorila je kakšnim petnajstim poslušalcem s hlastnim, živčnim glasom, ki se je skladal z neokrašeno staro predavalnico, v kateri smo sedeli. V njenih besedah ni bilo sledu toplote ali lahkotnosti. In vendar mojim očem ni bila nezanimiva. Za trenutek sem premišljeval, kakšna bi bila videti, če bi snela očala in preuredila svojo frizuro.« Roosalind je Watsona na predavanju menda tako očarala, da si je pozabil zapisovati, zato je lahko Cricku obnovil predavanje le po spominu. In morda prav tu tiči vzrok za njun prvi napačni model zgradbe DNK kot trojne vijačnice.
Poleti 1952 so se začele širiti govorice, da je Američanu Linusu Paulingu, svetovni kemijski avtoriteti, uspelo ugotoviti strukturo DNK. Ko so na Cambridgeu končno dobili članek, v katerem je Pauling opisal strukturo, so si oddahnili. Zagovarjal je trojno vijačnico, za katero so sami že vedeli, da ni prava. Takrat so s pomočjo kristalografskih slik, ki jih je posnela »Rosy« v Londonu, že dokaj natančno vedeli, da ima DNK strukturo vijačnice. Vprašanje je bilo le, koliko vijačnic se v strukturi prepleta? Ker so že ugotovili, da s tremi vijačnicami ne gre, je bila naslednja najboljša hipoteza, da DNK sestavlja dvojna vijačnica. Ključno vprašanje je bilo, kako v vijačnici strukturno razporediti štiri kemijske gradnike DNK, da se bo model skladal s poznanimi eksperimentalnimi lastnostmi. Watson je po nekaj tednih vnetega razmišljanja prišel na idejo strukture, ki bi lahko delovala. Ves navdušen se svoj predlog strukture opisal kolegu, a ga je ta hitro posvaril, da se je opiral na kemijske podatke iz knjig, za katere so že takrat vedeli, da so napačni.
To je Watsona potrlo in mu vzelo voljo do dela, zato se je popoldan raje igral in iz papirja izrezal modele baz A, C, T in G, ki so bili dovolj natančni, da je lahko določil, kje se bi lahko med njimi tvorila »vodikova vez«. Ti papirnati modeli so postali zelo pomemben element za razkritje »skrivnosti DNK«. S Crickom pa sta poznala še eno pomembno informacijo o DNK, ki jo je leta 1952 odkril avstrijski biokemik Erwin Chargaff. Ugotovil je namreč, da je skupna količina baz A in G v DNK enaka skupni količini baz T in C. Hkrati pa je bila tudi količina baze A enaka količini T in C enaka G. Čeprav je bil Crick navdušen nad tem odkritjem, je Watson menil, da gre verjetno zgolj za naključje, a se je sedaj, ko je začel sestavljati papirnate modele, tudi Watson premislil.
Naslednje jutro je Watson na hitro zmetal papirje iz svoje mize: »hotel sem imeti veliko, ravno površino za sestavljanje parov baz, ki jih družijo vodikovi mostovi.« Tisto dopoldne bo ostalo za večno zapisano v zgodovini velikih znanstvenih odkritij. »Čeprav sem se sprva držal svojega vraževernega druženja enakega z enakim, sem kar hitro uvidel, da po tej poti ne pridem nikamor. … Nenadoma sem se zavedel, da je par adenin in timin, ki ga vežeta dva vodikova mostova, po obliki enak paru gvanin-citozin, ki ga vežeta najmanj dva vodikova mostova. Vse vezi so se pojavile same od sebe; nobene goljufije ni bilo treba, da bi para dobila isto obliko. Hitro sem poklical Jerryja in ga vprašal, če ima kaj zoper moje nove pare baz. Ko mi je dejal, da nima, sem ponorel od navdušenja.«
V naslednjih dneh sta s Crickom poskusila sestaviti še kakšen model, a se nobena druga kombinacija baz ni izšla. Ker sta se enkrat s hipotezo trojne vijačnice že opekla, sta bila tokrat bolj pazljiva in sta raje najprej vse skupaj sama temeljito premislila, da bi izločila morebitne napake. Vendar sta bila vsak dan bolj prepričana, da jima je končno res uspelo. Crick se je prvi opogumil in v bližnjem baru 28. februarja 1953 oznanil, da sta z Watsonom razkrila skrivnost življenja. Njun prelomni članek o zgradbi molekule DNK je izšel 25. aprila 1953 v ugledni znanstveni reviji Nature. Za odkritje strukture DNK sta leta 1962, skupaj z Mauricom Wilkinskom prejela Nobelovo nagrado za fiziologijo in medicino. V govor ob podelitvi nagrade so zapisali: »Z odkritjem Watsona, Cricka in Wilkinsa lahko vidimo prve zametke ‘novega sveta’.« Tega se leta 1953 še nihče ni zavedal, toda v razlage življenja in življenjskih procesov so počasi vstopale molekule. Beljakovinam, kot splošno priznanim izvajalcem vseh celičnih nalog, se je pridružila molekula DNK. Počasi se je razvila nova znanstvena disciplina molekularna biologija, ki je v biologiji postopoma povsem prevladala in kraljuje še danes.
Ideja, da je molekula DNK nosilec dednosti, se ni takoj prijela. Takrat je namreč prevladovalo mnenje, da je molekula DNK z zgolj štirimi gradniki preveč preprosta, da bi zagotovila vso potrebno raznolikost, ki so jo opazili na nivoju beljakovin. Vendar se je ideja vedno bolj uveljavljala. Za biološke procese je najbolj pomembna in čudovita ravno komplementarnost molekule DNK. Vsaka baza se v eni verigi poveže s komplementarno bazo na drugi verigi, tako se adenin povezuje s timinom, gvanin pa s citozinom. Kot sta že Watson in Crick opozorila leta 1953 v prelomnem članku, komplementarnost nakazuje proces kopiranja DNK, saj je lahko vsaka veriga matrica za naslednjo kopijo. Prav tako ima komplementarnost pomembno vlogo pri zapisovanju genov v obveščevalno RNK in pri popravljanju poškodovane DNK. Crick je 1957. leta postavil centralno dogmo molekularne biologije. V njej je formuliral pretok biološke informacije samo v eni smeri, od molekule DNK na beljakovine. Biološko informacijo je definiral kot zaporedje nukleotidov v dolgi molekuli DNK in posledično zaporedje aminokislin v beljakovinah. Z vsakega gena se namreč prepiše komplementarna molekula RNK, ki ji pravimo obveščevalna RNK. Ta prenese zapis v genih do ribosomov, majhnih celičnih tovarn za izdelovanje beljakovin. Tukaj se informacija z obveščevalne RNK prevede v jezik beljakovin. Abeceda štirih baz DNK in RNK je povezana z abecedo 20 aminokislin beljakovin s kodoni. Kodon sestavljajo trije nukleotidi in kodirajo eno, točno določeno aminokislino, npr. A, G in T kodirajo aminokislino serin. Slovarček vseh kodonov, ki kodirajo aminokisline se imenuje genetski kod in je v veliki meri enak pri vseh organizmih. Skupaj je na razpolago torej 64 kodonov. Za kodiranje aminokislin je rezerviranih 61 (več kodonov lahko kodira isto aminokislino), trije pa so rezervirani za pike ob koncu zgodb. Ko se pojavijo v zaporedju na molekuli RNK, je to signal ribosomu, naj preneha s proizvajanjem beljakovine.
V naslednjih dveh desetletjih po odkritju strukture DNK smo dodobra spoznali zgoraj omenjene procese. Prodrli smo v skrivnost podvajanja DNK in nastanka beljakovin v celici. Konec šestdesetih let so pričeli poročati o encimih, ki prerežejo dvojno vijačnico na točno določenih mestih. Bakterije se z njimi branijo pred vdorom neželene DNK tako, da jo sesekljajo, še preden v bakterijski celici nastane večja škoda. Kasneje so poročali o drugih encimih, ki omogočajo, da se razrezani koščki DNK lahko spet zlepijo skupaj. Znanstveniki so hitro spoznali velikanski potencial teh odkritij in leta 1972 je Paul Berg na stanfordski univerzi s takšnimi »škarjami« prvič razrezal virusno DNK in jo v različnih kombinacijah spet lepil skupaj. Pojavila se je rekombinantna DNK in pričelo se je obdobje genetskega inženirstva in biotehnologije. V sedemdesetih so se pojavila prva biotehnološka podjetja, ki so pričela uporabljati novo tehnologijo.
Metode za branje in prepisovanje “knjige življenja”
Dve pomembni odkritji v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja sta dodatno spremenili biološke znanosti, molekulo DNK pa postavile v center biotehnologije in medicinske diagnostike. S prvo smo se naučili prebirati črke, z drugo pa smo se naučili kopirati točno določena poglavja v »knjigi življenja«. V obrisih je bilo že znano kako poteka kopiranje DNK v celici. Ni pa še bila razvita metodika za določevanje zaporedja baz v molekuli DNK ali kopiranje točno določenih koščkov DNK.
V dirko prebiranja zaporedja baz DNK se je v šestdesetih letih vključil Frederick Sanger. Skromen biokemik in izjemen garač je postal znan v petdesetih letih, ko je po petnajstih letih razvijanja kemijskih postopkov določil zaporedje aminokislin hormonu insulinu. To je bila prva beljakovina z znanim zaporedjem vseh osnovnih gradnikov. Kmalu se je izkazalo, da je poznavanje zaporedja aminokislin v beljakovinah ključno za razumevanje njihove vloge v celici in metodo so v laboratorijih začeli uporabljati rutinsko. Zanjo je dobil leta 1958 Nobelovo nagrado za kemijo. V začetku šestdesetih let se je preselil v Cambridge, kjer se je spoprijateljil s Crickom. Crick ga je uvedel v molekulo DNK in vedno bolj se je zanimal za genetiko. Prepričan je bil, da bi s poznavanjem zaporedja DNK lahko povedali več o živem svetu. Sredi šestdesetih let je razvil posebno metodo za določanje zaporedja baz v DNK, ki so jo po njem poimenovali Sangerjeva metoda. Kasneje je zanjo dejal: »Ta nov pristop k določevanju zaporedja molekule DNK je najboljša ideja, kar sem jih kdaj imel.« Metoda uporablja encim, ki podaljšuje koščke DNK. Občasno namesto normalnega gradnika vgradi defektnega in tako prekine reakcijo. Tako nastanejo koščki, ki se po velikosti razlikujejo za točno en nukleotid in jih na posebnih nosilcih lahko ločimo, ter tako sklepamo na vrstni red baz v DNK. S to metodo je prvič naenkrat prebral zaporedje 100 baz, za katere bi s predhodnimi metodami potreboval leta in leta. Drugačno metodo, ki izkorišča različno kemijsko naravo nukleotidov, je uspelo razviti tudi Walterju Gilbertu in Allanu Maxamu. Vendar se njuna metoda ni prijela, Sangerjevo pa v malenkost spremenjeni obliki uporabljamo še danes. Gilbert in Sanger sta za njuni metodi leta 1980 prejela Nobelovo nagrado za kemijo, za Sangerja je bila to že druga. Kot je povzel New York Times: »Sanger je sam zrežiral dve revoluciji v biologiji.« S prvo je pokazal kako se določa zaporedje aminokislin v beljakovinah in tako odprl vrata mnogim študijam beljakovin v biokemiji. Druga pa je bila ogromen korak naprej v razumevanju organizacije pisave življenja in v biološkem inženirstvu. Končne rezultate žanjemo z genomskimi projekti šele v današnjem času.
Drugo pomembno odkritje pa je bilo kopiranje točno določenih besed »knjige življenja«. Genetsko inženirstvo temelji na manipulaciji in izolaciji točno določenih koščkov DNK. Metode za pripravo takšnih koščkov so bile konec sedemdesetih let precej robustne, nenatančne in časovno zahtevne. Potem pa se je sredi osemdesetih let pojavila verižna reakcija s polimerazo (PCR), ki je radikalno spremenila biologijo. Kot vse velike ideje, se je tudi ta utrnila v trenutku. Kary Mullis se je leta 1983 z dekletom za konec tedna odpravil na vikend. Sredi vožnje ga je prešinilo, kako bi v zelo kratkem času pridelal več milijonov kopij točno določenega koščka DNK. Ustavil je avto in idejo spravil na papir. Spečemu dekletu je rekel: “Jennifer zbudi se, odkril sem nekaj fenomenalnega.” Kemik, ki se je takrat dolgočasil s sintezo kratkih koščkov DNK v podjetju Cetus v Kaliforniji, je odkril močno orodje, ki je povzročilo pravo revolucijo v molekularni biologiji. Metoda je tako preprosta, da Mullis sprva ni mogel verjeti, da je še nihče pred njim ni preizkusil. Po vrnitvi z vikenda je cel ponedeljek prebil v knjižnici in ob koncu dneva mu je bilo jasno, da ima v rokah pravi dragulj. V nekaj mesecih je prepričal vodilne v podjetju, da so ga podprli pri razvoju metode, in zgodba je postala legendarna. PCR so patentirali in kasneje patent prodali Hoffman-LaRochu za 300 milijonov dolarjev. Mullis pa je dobil 10 000 $ bonusa in Nobelovo nagrado za kemijo leta 1993.
Metoda je tako zelo preprosta in elegantna, da se je izredno hitro prijela v laboratorijih širom po svetu. Potrebujemo samo dokaj poceni aparat, nekaj kemikalij in epruvetko. Postopek je podoben kot v primeru, ko potrebujemo veliko fotokopij majhne slike. Kaj naredimo? Postavimo jo na fotokopirni stroj in naredimo kopijo. Nato postavimo na stroj tako originalno sliko, kot tudi fotokopijo in postopek ponovimo. Po zgolj desetih ponovitvah fotokopiranja imamo že 1024 kopij začetne slike. Mullis je ugotovil, da lahko podoben postopek pomnoževanja s pomočjo encimov in še nekaterimi dodatki, izvede tudi za molekule DNK. Vzorec DNK, ki ga želimo pomnožiti, damo v reakcijsko zmes skupaj s kratkimi koščki DNK, ki jih imenujemo začetni oligonukleotidi. S posebnim encimom nato v ciklih pomnožujemo našo DNK in z vsakim ciklom se število kosov DNK, ki jo želimo pridobiti, podvoji. Lepota metode je v tem, da lahko z ustreznim načrtovanjem začetnih oligonukleotidov pomnožimo skoraj katerikoli delček DNK, kot matrico pa lahko uporabimo čisto DNK ali pa ostanke, ki jih lahko izoliramo iz koščkov tkiv, telesnih izločkov na kraju zločina ali dlake zaledenelega mamuta. PCR je postopoma prodrla v večino bioloških disciplin in celo na naslovne strani časnikov. Z metodo se da namreč zaslediti tudi zelo majhne razlike v zaporedjih DNK, ki se pojavljajo pri ljudeh, t.i. polimorfizme. Lahko pridelamo prstni odtis posameznikove DNK, ki ga nato primerjamo z drugimi vzorci. Metoda se je hitro uveljavila pri določevanju starševstva in v forenziki, npr. moški, obsojen zaradi posilstva in umora, je bil po devetih letih izpuščen iz zapora na podlagi PCR testa in vzorca posušene sperme na obleki žrtve.
Z omenjenima dvema odkritjima smo konec osemdesetih let prejšnjega stoletja postavili dobre temelje za branje našega lastnega genoma in genomov bitij, ki nas obkrožajo. V začetku devetdesetih smo vstopili v dobo genomike. Začelo pa se je kakšnih petnajst let prej, ko je konec sedemdesetih Sanger s svojo skupino določil zaporedje baz celotne dednine majhnega bakterijskega virusa fX174. To je bil sploh prvi popolnoma znan genom. Dednina tega virusa vsebuje le 5386 baz in nosi zapis za 10 genov. Kljub temu, da so te številke za današnje razmere kot kaplja v morju, je takrat postalo jasno, da dobimo s poznavanjem zaporedja nukleotidov v molekuli DNK enkraten vpogled v strukturo genov, njihovo soodvisnost in organizacijo genoma. Ravno ta ogromna količina in raznovrstnost informacij, ki jih o organizmu pridobimo iz njegovega genoma, je vzpodbudila razvoj tehnik določevanja zaporedja DNK. Preteči je moralo še precej časa, preden smo dobili celotna zaporedja genomov najbolj preprostih bakterij ali celo višjih organizmov. Sprva so bile aparature robustne, zahtevale so precej ročnega dela in sredi osemdesetih so lahko na dan prebrali le okoli 250 baz v DNK. Intenzivna avtomatizacija postopkov in tehnične izboljšave so omogočile pravo eksplozijo bioloških podatkov sredi devetdesetih let prejšnjega stoletja. Dandanašnji najbolj sposobni aparati so sposobni prebrati do 1,5 milijona baz na dan, kar predstavlja celoten genom manjše bakterije.
Človeški genom
Za branje svojega lastnega genoma smo se pripravljali precej časa. Začelo se je v letu 1990, ko se je dvajset inštitucij iz šestih držav po svetu združilo v konzorcij in si razdelilo 3 milijarde baz. Delo je sprva potekalo počasi, saj so morali večino postopkov za pridobivanje in ravnanje s takšno ogromno količino podatkov še razviti in dodelati. Avtomatizacija je šla celo tako daleč, da so za potrebe projekta Človeški genom postavili prave »tovarne«, kjer je bila priprava vzorcev, določevanje zaporedja in analiza dobljenih podatkov popolnoma avtomatizirana. Leta 1998 je na oder vstopil nov igralec. Ameriški znanstvenik Craig Venter je objavil, da bo sam določil človeški genom in to veliko hitreje kot z javnim denarjem podprt konzorcij. Venter je postal znanstveni srenji poznan v začetku devetdesetih let prejšnjega stoletja, ko je pričel sestavljati knjižnico vseh obveščevalnih RNK, ki jih najdemo v celici. Kljub temu, da je bil ta projekt sprva sprejet s skepso, je kasneje odločilno pomagal pri interpretaciji rezultatov Človeškega genoma. Začela se je prava bitka: zasebni Venterjev projekt proti z javnim denarjem podprtemu konzorciju uglednih laboratorijev, ki jim Venterjeva podjetnost ni nič kaj preveč dišala. Profesionalni deskar in vietnamski veteran je namreč izkazal izjemno podjetniško žilico, saj mu je pri farmacevtskih in računalniških podjetjih uspelo zbrati kapital za »tovarno« s 300 najbolj zmogljivimi napravami za določanje zaporedij DNK in z drugim največjim računalnikom na svetu, ki je mlel dobljene podatke dan in noč. Dirka se je končala z neodločenim izidom in leta 2001 so skoraj istočasno objavili rezultate, ki so prvič dali vpogled v celotno besedilo naše lastne »knjige življenja«. Poleg človeškega je danes znanih tudi preko 100 bakterijskih in še 10 genomov višjih organizmov. Projekt Človeški genom je prelomnica. Ne samo, da je bil največji in najdražji biološki projekt v zgodovini znanosti. Dobili smo katalog vseh naših genov. Pričelo se je naporno iskanje njihovih povezav, študiranje njihovega prižiganja in ugašanja. Začenjamo razumevati molekularno osnovo življenja. Dodobra je spremenil tudi način in logiko raziskovanja. Od raziskovanja, ki ga poganja postavljanje hipotez, smo prešli na raziskovanje, ki odkriva vzorce v nakopičenih podatkih. Moderna biologija temelji na projektih, ki bruhajo nove in nove podatke. Temelji na dobri programski opremi, ki te podatke ureja, jih preiskuje in v njih išče zakonitosti. Hipoteze postavljamo v drugi fazi raziskovanja, na podlagi izluščenih vzorcev iz nakopičenih podatkov.
»V začetku je bila beseda. Beseda je v morju razglašala svoje sporočilo in se v neskončnost podvajala. Beseda je odkrila, kako prepoznati kemične snovi, da bi ujela majcene vrtince v toku entropije in jih oživila. Beseda je kopno planeta pretvorila iz prašnega pekla v zeleneč raj. Beseda je nazadnje tako napredovala, da je zgradila kašasto napravo, imenovano človeški možgani, ki je odkrila besedo samo in se je zavedla.« S temi stavki je Matt Ridley otovoril prvo poglavje svoje že omenjene knjige. Mi ga ob koncu našega sestavka zgolj dopolnimo: »Pred nekaj leti smo uspeli prebrati vse besede v lastni knjigi in danes poznamo celotna besedila knjig za več kot deset naših naravnih sorodnikov v besedi. Prav kmalu bomo priča izidu romana, ki ga prvič ne bo napisala narava, ampak mi sami.« Craig Venter je že napovedal, da bo poskusil ustvariti umetno bakterijo. Da bo torej napisal nov roman življenja. Do zdaj mu je še vsak visokoleteč projekt uspel.
Potek odkritij povezanih z molekulo DNK
1866 Avstrijski menih Gregor Mendel odkrije zakone dedovanja.
1871 Johann Friedrich Miescher izolira iz jeder belih krvničk substanco, ki jo poimenuje nuklein. Ta je topna v bazičnih raztopinah, ne pa v kislinah. Kasneje dobi ime nukleinska kislina.
1879 Nemški raziskovalec Walter Flemming opiše obnašanje kromosomov med celično delitvijo in postavi temelje teoriji, da je dednost shranjena v kromosomih.
1911 Thomas Hunt Morgan pokaže, da so geni na kromosomih enote dednine, da so na kromosomih nameščeni v linearnem zaporedju in opiše rekombinacijo kromosomov med delitvijo.
1927 Herman J. Muller z rentgenskimi žarki povzroči umetne mutacije v dednini vinske mušice in pokaže, da se prenesejo na naslednje generacije.
1929 Ameriški biokemik Phoebus Levene opiše nukleotide, kemijske gradnike molekule DNK. Odkrije, da so sestavljeni iz fosfatne skupine, sladkorja in ene od štirih dušikovih baz, adenina, citozina, gvanina ali timina.
1944 Oswald Avery, Colin Macleod in Maclyn McCarthy pri poskusih z bakterijskimi celicami ugotovijo, da je »transformacijski faktor« DNK in ne beljakovine.
1950 Erwin Chagaff odkrije, da je ne glede na izvor celice v molekuli DNK količina citozina enaka količini gvanina in količina adenina enaka količini timina.
1951 Rosalind Franklin v skupini Mauricea Wilkinsa slika kristalinično obliko DNK z žarki x. Odkrije, da DNK obstaja v dveh oblikah in da so fosfatni deli nameščeni v zunanjosti dvojne vijačnice. Molekula ima obliko vijačnice.
1953 James Watson in Francis Crick opišeta strukturo molekule DNK. Model Rosalind Franklin nadgradita s tem, da predlagata model dvojne vijačnice. Verigi potekata v nasprotni smeri, v sredini so nameščene baze, ki so med seboj povezane tako, da držijo verigi na konstantni oddaljenosti.
1956 Arthur Kornberg izolira DNK polimerazo iz bakterije Escherichia coli. To je prvi encim, ki sintetizira DNK v epruveti.
1958 Matthew Meselson in Frank Stahl odkrijeta semikonzervativno podvajanje molekule DNK.
1961 Francis Jacob in Jacques Monod opišeta genetsko regulacijo, razložita kako se geni prižigajo in ugašajo.
1966 Marshall Nirenberg in H. Gobind Khorana vodita skupini, ki razvozlata genetski kod. Kodoni v DNK in RNK kodirajo točno določeno aminokislino v beljakovinah.
1970 Hamilton Smith in Kent Wilcox izolirata prvi encim, ki reže DNK na točno določenih mestih.
1972 Paul Berg izdela prvo umetno molekulo DNK. Prične se obdobje rekombinantne DNK tehnologije.
1977 Fred Sanger in Walter Gilbert neodvisno razvijeta metodo za določanje zaporedja baz v DNK. Sanger objavi celoten genom bakterijskega virusa fX174.
1983 Kary B. Mullis razvije verižno reakcijo s polimerazo (PCR), ki se takoj uveljavi v laboratorijih po vsem svetu in postane pomembna metoda tudi v molekularni diagnostiki.
1990 Pričetek projekta Človeški genom, katerega cilj je določiti zaporedje baz DNK celotnega človeškega genoma.
1995 Določen celoten genom prve bakterije Haemophilus influenza.
1999 Določen celoten genom vinske mušice.
2001 Objavljena prva verzija človeškega genoma.
(Gregor Anderluh in Sašo Dolenc, kvarkadabra.net – št. 18, februar 2003)
