بازخوانى داستان کشف مارپیچ دوتایى

در میان یافته‌هاى علمى زیست‌شناسى، به کم‌تر یافته‌اى بر می‌خوردیم که به اندازه‌ى یافته‌ى جیمز واتسون و فرانسیس کریک، یعنى کشف ساختمان سه بعدى DNA معروف باشد. این کشف نتیجه‌ى کار پژوهشى آنان به تنهایى نبود، بلکه حاصل هم‌ اندیشى و کنار هم چیدن یافته‌هاى پژوهشگران دیگرى بود که به باور برخى از دانشمندان، نقش آنان در روشن شدن ساختمان سه بعدى DNA ، از واستون و کریک پررنگ‌تر بود.  
در این مقاله، فعالیت‌هاى پنج شخصیتى معرفى می‌شود که هر یک به شیوه‌اى در کشف مارپیچ دوتایى سهیم بوده‌اند:
1- فردریک مایشر ، پزشک سوئیسى که اسید نوکلئیک را کشف کرد و نشان داد که این ماده در هسته‌ى همه‌ى سلول‌ها وجود دارد.
2- فوبوس لون پزشک و شیمیدان روسى که ساختمان شیمیایى اسیدهاى نوکلئیک را معرفى کرد.
3- اروین چارگاف، شیمیدان استرالیایى که مقدار بازهاى آلى را در DNA جانداران گوناگون سنجید.
4- لینوس پاولینگ ، شیمیدان بزرگ آمریکایى که روى ساختمان پروتئین‌ها کار می‌کرد.
5- روزالین د فرانکلین ، شیمى فیزیکدان انگلیسى که از بلور DNA عکس پرا ش پرتوى ایکس تهیه کرد.
فردریک مایشر
فردریک مایشر (1895-1844) به سفارش پدرش وارد دانشکده‌ى پزشکى شد، اما به علت دشوارى در شنیدن، نمی‌توانست با بیماران به خوبى ارتباط برقرار کند. از این رو تصمیم گرفت، وارد عرصه‌ى پژوهش‌هاى پزشکى شود. وى در سال 1868 پژوهش‌هاى خود را زیر نظر فلیکس هوپ سیلر6 در دانشکده‌ى علوم طبیعى دانشگاه توبینگن آلمان آغاز کرد. در آن آزمایشگاه، هنگامى که هنو ز بسیارى از دانشمندان در مفهوم «سلول» شک داشتند، برخى از مولکول‌‌‌هاى سازنده‌ى سلول‌ها استخراج شده بودند و پژوهش در زمینه‌ى شیمى بافت‌ها ادامه داشت.
بررسى شیمیایى سلول‌هاى سفید خون، به عنوان موضوع پژوهش‌هاى مایشر برگزیده شد. استخراج این سلول‌ها از گره‌هاى لنفاوى بسیار دشوار بود، اما در زخم‌هاى چرک مقدار زیادى از آن‌ها یافت می‌شود. از این رو، مایشر باندهاى آلوده را از بیمارستان محلى جمع‌آورى و با کمک محلولى از نمک، گلبول‌هاى سفید را از آن‌ها جدا مى کرد. مایشر در جریان یکى از آزمایش‌هایش، گلبول‌هاى سفید را تحت تأثیر عصاره‌ى معده‌ى خوک قرار داد. در آن زمان، دانشمندان می‌دانستند این عصاره ، آنزیمى دارد که باعث هضم پروتئین‌ها می‌شود. امروزه آن‌ آنزیم را با نام پپسین می‌شناسیم. وى چگونگى اثر عصاره را بر این سلول‌ها، به دقت زیر میکروسکوپ پی‌ گیرى کرد. وقتى عصاره‌ى معده ، پروتئین‌هاى سفید خون را تخریب کرد، او مشاهده کرد که ساختار این سلول‌‌ها از هم پاشید، اما هسته‌ى آن‌ها تا حدود زیادى سالم باقى ماند. به این ترتیب، او هسته‌ى سلول‌ها را از سیتوپلاسم جدا کرد.
در گام بعدى، هسته‌ها را تحت تأثیر هیدروکسید سدیم قرار داد. افزودن این محلول قلیایى به ظرف حاوى هسته‌ها، باعث تشکیل رسوب سفید رنگى شد که تجزیه‌ى شیمیایى آن نشان داد، کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و درصد زیادى فسفر، عنصر هاى سازنده‌ى آن هستند. پایدارى در برابر عمل پپسین، چگونگى واکنش آن به حلال‌هاى متفاوت و درصد فسفر بالا باعث شد که مایشر پیشنهاد کند، ماده غیر پروتئینى جدیدى را کشف کرده است. وى این ماده را نوکلئین به معناى «در هسته» نامید.
مایشر آزمایش‌هاى مشابهى را روى اسپرم ماهى آزاد انجام داد. به طور کلى، هسته در همه‌ى اسپرم‌ها حجم زیادى از سلول‌ را به خود اختصاص می‌دهد. در اسپرم ماهى آزاد نیز بیش از 90 درصد حجم سلول، از هسته است. تلاش شبانه‌روزى این پژوهشگر پرکار به استخراج نوکلئین از اسپرم ماهى آزاد و اسپرم گونه‌هاى دیگر منجر شد. بررسى شیمیایى نوکلئین استخراج شده از آن منابع، نتیجه‌ى پیشین را تأئید کرد. مایشر به‌راستى ماده‌ى جدیدى کشف کرده بود که به نظر می‌رسید، در هسته‌ى همه‌ى سلول‌ها وجود دارد. آیا این ماده نمی‌توانست ماده‌ى ژنتیک باشد؟
اگر نوکلئین ماده‌ى ژنتیک باشد، باید مقدار آن در همه‌ى سلول‌هاى پیکرى یکسان و در سلول‌هاى جنسى نصف سلول‌هاى پیکرى باشد. مایشر براى بررسى این فرضیه چند سال تلاش کرد و توانست مقدار نوکلئین را در هسته‌ى سلول‌هاى پیکرى و جنسى تعیین کرد. اما یک روی‌داد ناشى از بدشانسى باعث شد، او به اشتباه نوعى پروتئین را به عنوان ماده‌ى ژنتیک معرفى کند.
مایشر درصد فسفر بالا را معیار شناسایى نوکلئین قرار داده بود. در سیتوپلاسم سلول تخمک، پروتئینى به نام فسویتین7 وجود دارد که بر خلاف دیگر پروتئین‌ها، مقدار زیادى فسفر دارد. این پروتئین که در آن زمان کشف نشده بود، باعث شد مایشر مقدار نوکلئین موجود در تخمک را به درستى محاسبه نکند. از این رو، نتیجه گرفته که مقدار نوکلئین سلول تخمک و سلول اسپرم با هم برابر نیستند و بنابراین چنین مولکولى نمی‌تواند نقش ماد ه‌ى ژنتیک را بازى کند.
مایشر پس از سال‌ها تلاش، در اثر سل جان باخت. دو عامل را دلیل ابتلاى او به این بیمارى می‌دانند: تماس با چرک باندهاى بیماران و فعالیت شبانه‌روزى در اتاق سردى که براى استخراج نوکلئین لازم بود. در هر صورت، وى جان خویش را بر سر شناخت نوکلئین گذاشت.
فوبوس لون
فوبوس لون (1940-1869) فراگیرى پزشکى را در روسیه آغاز کرد، اما به سبب کار در آزمایشگاه شیمى آلى، به زیست‌شیمى ( بیوشیمى ) علاقه‌ مند شد. در سال 1829 آموزش پزشکى را در نیویورک به پایان رساند و با بزرگان شیمى از جمله آلبرت کوسل8 و امیل فیشر9 آشنا شد که در زمینه‌ى اسید نوکلئیک و پروتئین کار می‌ ‌کردند. او در نتیجه‌ى پژوهش‌هاى فراوان ، بیش از 700 مقاله درباره‌ى ساختمان شیمیایى مولکول‌هاى زنده منتشر کرد، اما شهرت او بیش‌تر به سبب طرح تترانوکلئوتیدى است.
لون براساس پژوهش‌هاى خود و پژوهش‌ گران پیشین به این نتیجه رسید که نوکلئوتیدها واحد ساختمانى اسیدهاى نوکلئیک هستند و اسید نوکلئیکى که مایشر کشف کرده بود، از نوع داکسى ریبونوکلئیک (DNA) است. هر نوکلئوتید از یک نوع باز آلى، یک قند پنج‌ کربنه و یک گروه فسفات تشکیل شده که در شرایط طبیعى به صورت یونیزه و داراى بار منفى است. به علاوه او دریافت، نوکلئو تیدها از راه اتصال فسفودى استرى به هم پیوند می‌شوند.
لون براساس آزمایش‌هاى خود به این نتیجه‌ى نادرست دست یافت که اندازه‌ى چهار باز A ، T ، C و G ، در DNA برابر است. از این رو، طرح تترانوکلئوتیدى را به عنوان ساختمان شیمیایى DNA پیشنهاد کرد. براساس این طرح، DNA مولکول درازى است که از تکرار یک واحد تترانوکلئوتیدى (چهار نوکلئوتیدى) تشکیل شده است؛ یعنى، به صورت زیر:
( … AGTC-AGTC-AGTC-AGTC … )n
روشن است که چنین مولکول یکنواختى نمی‌توند اطلاعات وراثتى گوناگون جاندارن را در خود اندوخته کند. به این ترتیب، طرح تترانوکلئوتیدى لون از این باور پشتیبانى کرد که با وجود حضور DNA در کروموزوم‌ها، این مولکول نمی‌تواند ماده‌ى وراثتى باشد. البته، این اشتباه نباید نقشى را که لون در شناخت ساختمان شیمیایى DNA داشته است، از یاد ببرد.
اروین چارگاف
اروین چارگاف (1992-1929) در زمینه‌ى شیمى، پژوهش‌هاى گسترده‌اى انجام داده، اما بیش تر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهاى آلى در DNA مشهور است. وى و همکارانش به مدت هفت سال با روش کروماتوگرافى کاغذى، نسبت بازهاى آلى DNA را در جاندارن گوناگون و سلول‌هاى پیکرى یک جاندار تعیین کردند و نتیجه گرفتند، مقدار بازها در DNA گونه‌هاى مختلف جانداران متفاوت است و با تغییر رژیم غذایى، تغییر شرایط محیطى یا افزایش سن جاندار، تغییر نمی‌کند. اما در تمام نمونه‌ها، مقدار A با مقدار T و مقدار C با مقدار G برابر است.
آزمایش‌هاى چارگاف نشان داد، نظریه‌ى تترانوکلئوتیدى لون درست نیست. نتیجه‌ى این آزمایش‌‌ها، در روش ساختن ساختمان مولکولى DNA و چگونگى اندوخته شدن اطلاعات در آن، نقش مهمى داشتند. به هر حال، خود او نتوانست از آن‌ها در این زمینه بهره گیرد.
لینوس پاولینگ
روش پراش پرتوى ایکس نخستین بار براى مطالعه‌ى بلور نمک طعام استفاده شد. شیمی‌دان بزرگ لینوس پاولینگ، یکى از نخستین کسانى بود که با بهره‌گیرى از این روش تلاش کرد، ساختمان سه بعدى پروتئین‌ها را روشن کند. وى در مجموعه مقاله‌هایى که در سال‌هاى 1950 و 1951 انتشار داد، مارپیچ آلفا را مهم‌ ترین رکن ساختمان سه بعدى پروتئین‌ها معرفى کرد.
پاولینگ براى DNA نیز طرحى پیشنهاد کرد. در طرح او، DNA از سه رشته‌ى مارپیچ تشکیل شده بود که بازهاى آلى آن در بیرون و ستون‌هاى قند فسفات در درون مولکول قرار داشتند. به علاوه، در طرح او گروه‌هاى فسفات به حالت یونیزه و داراى بار منفى نبودند و رشته‌ها از راه پیوندهاى هیدروژنى با هم ارتباط داشتند که بین گروه‌هاى فسفات برقرار شده بودند.
براساس آن‌چه که از شیمى DNA می‌دانیم، گروه‌هاى فسفات همیشه به حالت یونیزه و داراى بار منفی‌‌ هستند و این معما همچنان باقى است که پاولینگ (برند ه‌ى نوبل شیمى) چگونه چنین اشتباهى مرتکب شده است؟ باوجود این، همان طور که در ادامه می‌آید، شیوه‌ى پژوهشى او تأثیر مهمى بر فعالیت هاى واستون و کریک داشت.
روزالین فرانکلین
روزالین فرانکلین (1958-1920) در سال 1951 به همراه یکى از دانشجویان به نام رایموند گوسلینگ10، مجموعه‌اى از تصویرهاى پراش پرتوى ایکس با کیفیت بالا، از بلور DNA تهیه کرد. او با استفاده از این تصویرها تو انست، ابعاد DNA را محاسبه کند و به درستى نتیجه گرفت که گروه‌هاى 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. تصویرى که او از بلور شکل B تهیه کرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدى DNA نقش به سزایى داشت. آن تصویر را موریس ویکلینز (با اجازه یا بدون اجازه‌ى فرانکلین) در اختیار واستون و کریک قرار داده بود.(واتسون در کتاب خود، که با نام مارپیچ مضاعف در ایران منتشر شده است، به این حقیقت اشاره کرده است.)
فرانکلین در سال 1958 در اثر سرطان درگذشت. به نظر می‌رسد، کار بیش از اندازه با پرتو ایکس در ابتلاى او به سرطان مؤثر بوده است.
واستون و کریک
در روزهاى پایانى سال 1951، جیمز واتسون (زیست‌شناس) و فرانسیس کریک (فیزیکدان) با هدف تعیین ساختمان مولکولى DNA ، همکارى خویش را آغاز کردند. آنان می‌دانستند، مولکول DNA از تعداد زیادى نوکلئوتید تشکیل شده است که به صورت خطى و با کمک اتصال‌هاى فسفودى استرى کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. از سوى دیگر، در همین سال، پاولینگ مارپیچ آلفا را به عنوان مهم‌ترین رکن ساختمان سه بعدى پروتئین‌ها معرف کرده بود. از این رو، نخستین طرح فرضى براى DNA ، در ذهن این زوج علمى شکل گرفت:
1. DNA رشته‌اى دراز و مارپیچى شکل از واحدهایى به نام نوکلئوتید است. در این رشته، ستون قند فسفات بسیار منظم و ترتیب بازها بسیار نامنظم است.
وقتى آنان طرح فرضى خود را با ویلکینز در میان گذاشتند، با این پاسخ روبه‌رو شدند که براى اساس تصویرهاى پراش پرتوى ایکس، قطر مولکول DNA بیش از آن است که وجود تنها یک رشته پلی‌نوکلئوتیدى آن را توجیه کند. از این رو، کریک پیشنهاد تازه‌اى را مطرح کرد:
2. مولکول DNA از چند رشته‌ى پلى نوکلئوتیدى تشکیل شده است که به دور یکدیگر پیچ خورده‌اند.
آیا DNA مولکولى دو رشته‌اى، سه رشته‌اى یا چهار رشته‌اى است؟ ارتباط این رشته‌ها با یکدیگر چگونه است؟ آیا به راستى مولکول DNA ساختمان مارپیچى دارد؟ پاسخ این پرسش‌ها با اطلاعات کمى که در اختیار واتسون و کریک بود، به دست نمی‌آمد. از این رو، از ویلکینز خواستند با آنان همکارى کند و تصویر پراش پرتوى ایکس بلور DNA را در اختیارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصویر پراش پرتوى ایکس DNA ، تصمیم گرفتند همانند دیگر دانشمندانى که به مطالعه‌ى بلور مولکول‌ها می‌پرداختند، با استفاده از سیم و تکه‌هاى حلب، طرح فرضى DNA را بسازند.
تفسیر تصویرهاى پراش بلورها، به محاسبه‌ى پیچیده‌اى نیاز دارد. در آن زمان، هنوز رایانه وارد آزمایشگاه‌هاى بلورشناسى نشده بود. از این رو، بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندکى که از تصویرهاى پراش پرتو ایکس به دست می‌آوردند، طرح‌هاى فرضى مولکول‌‌ها را می‌ساختند. سپس با انجام محاسبه‌هایى ، الگوى پراش فرضى این طرح‌هاى ساختگى را تعیین می‌کردند. سرانجام، پراش فرضى با پراش بلور مقایسه و ساختمان سه بعدى مولکول مورد نظر پیش‌بینى می‌شد. براى مثال، وجود تقارن و نظم در تصویر پراش بلور، نشان دهنده‌ى نظم و تکرار واحدهاى سازنده‌ى مولکول‌هاى بلور است. بنابراین، طرح ساخته شده باید داراى نظم و واحدهاى تکرار شونده باشد.
واتسون و کریک با فرض این که ستون قند فسفات در مرکز و بازهاى حلقوى در بیرون مولکول DNA قرار دارند، به ساختن نخستین طرح براى DNA مشغول شوند. براساس این طرح :
3. DNA از دو رشته‌ى پلى نوکلئوتیدى تشکیل شده است. این رشته‌ها با پل‌هاى نمکى به هم مربوط می‌شوند که در آن‌ها کاتیون‌هاى دو ظرفیتى مانند +Mg2 و گروه‌هاى فسفات داراى بار منفى، شرکت دارند.
پس از پایان کار، آنان از ویلکینز و فرانکلین دعوت کردند، طرحشان را بررسى کنند. وقتى آنان مسأله‌ى یون‌هاى +Mg2 را مطرح کردند که دو رشته را کنار یکدیگر نگه می‌دارند، با اعتراض شدید فرانکلین روبه‌رو شدند. فرانکلین پافشارى کرد که یون‌هاى +Mg2 را پوسته‌هایى از مولکول‌هاى آب دربرمی‌گیرند و بسیار دور است میخ محکمى براى نگه‌داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او این بود که ستون قند و فسفات در بیرون قرار دارد. به این ترتیب، مولکول‌هاى آب، طرح دو رشته‌اى واتسون و کریک را فروریختند.
مدت‌ها از این ماجرا گذشت ، بدون آن که واتسون و کریک به موفقیت چشمگیرى دست پیدا کنند. تا این که با خبر شدند، پاولینگ براى ساختمان سه بعدى DNA ، طرحى پیشنهاد کرده است. اما همان طور که گفته شد، طرح مارپیچ سه رشته‌اى پاولینگ از نظر شیمیایى نادرست بود.
مدتى بعد، در دیدارى که این زوج علمى با ویکلینز داشتند، با تصویر تازه‌اى از بلور DNA روبه‌رو شدند که از تصویرهاى پیشین ساده‌تر بود. آن تصویر را که مربوط به شکل B بود، فرانکلین تهیه کرده بود. ویلکینز به آنان گفت، آن تصویر از بلورى تهیه شد ه که مقدار زیادى آب داشته است و تصویر پیشین که آن دو روى آن کار می‌کرده‌اند، از مولکولى بوده که آب خود را از دست داده بوده است. کریک به کمک ویلکینز آن تصویر را با معادله‌هاى ریاضى بررسى کرد تا اطلاعات زیر به دست آمد:
1) تصویر پراش بسیار منظم است. بنابراین، ساختمان مولکولى DNA باید بسیار منظم و قطر آن در همه‌ى مولکول ثابت باشد.
2) نقش ضربدرى که در تصویر مشا هده می‌شود، از مارپیچ بودن مولکول DNA حکایت می‌کند و زاویه‌ى بین بازوى ضربدر و خط افق، با زاویه‌ى پیچش DNA برابر است.
3) در تصویر پراش، نقطه‌هایى که فاصله‌ى زیادى از هم دارند، در واقع فاصله‌ى اندکى از یکدیگر دارند و برعکس. با در نظر گرفتن این قاعده که معادله‌هاى پیچیده‌ى ریاضى آن را تأ یید می‌کنند، فاصله‌ى بین مرکز و محیط تصویر پراش، حدود 34 انگستروم و فاصله‌ى بین هر ردیف از نقطه‌هاى سیاه با ردیف بعدى، حدود 34 انگستروم محاسبه می‌شود. بنابراین، فاصله‌ى هر جفت باز با جفت باز دیگر، حدود 4/3 انگستروم و فاصله‌ى عمودى یک دور کامل مارپیچ DNA ، حدود 34 انگستروم خواهد بود. در این صورت، در هر دور مارپیچ DNA ، حدود 10 جفت باز آلى جاى می‌گیرد.
سرانجام، واتسون و کریک با درنظر گرفتن این اطلاعات و نتیجه‌ى آزمایش‌هاى چارگاف، توانستند به بزرگ‌ترین کشف زیست‌شناسى مولکولى دست یابند و به همراه ویلکینز، جایز ه‌ى نوبل 1962 را از آن خود کنند.
سخن پایانى
کشف مارپیچ دوتایى، نمونه‌ى خوبى از نقش و تأثیر دانشمندان رشته‌هاى گوناگون علوم، در حل یک مسأله است. بدون شناختن ویژگی‌هاى فیزیکى و شیمیایى DNA ، زیست‌شناسان هرگز نمی‌توانستند به این کشف مهم دست پیدا کنند. جالب این که، در این کشف نقش شیمیدانان و فیزیکدانان، از زیست‌شناسان پررنگ‌تر بود.

زیرنویس

1. Friedrich Miescher
2. Phoebus Levene
3. Erwin Chargoff
4. Linus Pavling
5. Rosalind Franklin
6. Felix Hope- Seyler
7. Phosvitin
8. Albrecht Kossel
9. Emill Fischer
10. Raymond Goling

منبع:

1. A.E.Mirsky, The Chemistry of Heredity, Scientific American: 188(2), 47-57(1953)

2. Alfred E.Misky, Discovery of DNA, Scientific American: 218(6), 78-86 (1968)
3. Michel Morange, A History of Molecular Biology, Harvard University Press (1998)
4. J.D.Watson and E.F.C.Crick, Molecular Structure of Nucleic Acid, Nature: 4356,737-738(1953)
5. F.H.C.Crick, the Structure of the Heredity Material, Scientific American: 191(4), 54-61(1954)
6. Robert J.Brooker, Genetics Analysis and Principles, Addison-Wesley (1999).
7. Hery Michools, So you think you know the double helix BioMedNe