¿Cómo se descubrió el ADN?
Ya en 1868 se descubrieron los ácidos nucleicos. En el laboratorio de la química alemana Hope Thaler, había un estudiante de posgrado suizo llamado Michel (1844~1895). Le interesaban mucho las vendas con pus y sangre tiradas en un hospital cercano al laboratorio, porque sabía que el pus y la sangre eran "restos" de glóbulos blancos y células humanas que morían en la "batalla" con los gérmenes para poder para proteger la salud humana. Así que recogió con cuidado el pus y la sangre del vendaje y usó pepsina para descomponerlo. Como resultado, descubrió que la mayor parte de los restos celulares se descomponían, pero no tenía ningún efecto sobre el núcleo celular. Analizó además el contenido del núcleo celular y descubrió que el núcleo contenía una sustancia rica en fósforo y nitrógeno. Hope Thaler realizó experimentos con levadura para demostrar que el descubrimiento de Michel de las sustancias en el núcleo era correcto. Entonces llamó a esta sustancia separada del núcleo "núclido". Posteriormente descubrió que era ácida, por lo que cambió su nombre a "ácido nucleico". Desde entonces, se han realizado una serie de investigaciones fructíferas sobre los ácidos nucleicos.
A principios del siglo XX, el corsario alemán (1853~1927) y sus dos alumnos Jones (1865~1935) y Levin (1869~1940) descubrieron los ácidos nucleicos. Los nucleótidos están compuestos de bases, ribosa y fosfato. Hay cuatro tipos de bases (adenina, guanina, timina y citosina) y dos tipos de ribosa (ribosa y desoxirribosa), por lo que los ácidos nucleicos se dividen en ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN).
Levine, que estaba ansioso por publicar los resultados de su investigación, creyó erróneamente que las cantidades de las cuatro bases en los ácidos nucleicos eran iguales, y dedujo de ello que la estructura básica de los ácidos nucleicos es la polimerización de cuatro nucleótidos. con diferentes bases. Se propusieron los tetranucleótidos que forman los ácidos nucleicos y se propuso la "hipótesis de los tetranucleótidos". Esta suposición errónea dificulta en gran medida la comprensión de las estructuras complejas de los ácidos nucleicos y, hasta cierto punto, también afecta la comprensión de las personas sobre las funciones de los ácidos nucleicos. Se pensaba que aunque el ácido nucleico existía en una estructura importante, el núcleo, su estructura era demasiado simple para imaginar qué papel podría desempeñar en el proceso genético.
Las proteínas fueron descubiertas 30 años antes que los ácidos nucleicos y se desarrollaron rápidamente. En el siglo XX se han descubierto 12 de los 20 aminoácidos que forman las proteínas, todos en 1940.
En 1902, el químico alemán Fischer propuso la teoría de que los aminoácidos se conectan mediante cadenas peptídicas para formar proteínas. En 1917, sintetizó una cadena larga de 18 péptidos compuesta por 15 glicinas y 3 leucinas. Por tanto, algunos científicos creen que las proteínas pueden desempeñar un papel importante en la herencia. Si la herencia involucra ácidos nucleicos, deben ser nucleoproteínas unidas a proteínas. Por lo tanto, la comunidad biológica de esa época generalmente tendía a creer que las proteínas son las portadoras de información genética.
En 1928, el científico estadounidense Griffith (1877 ~ 1941) realizó experimentos en ratones con un neumococo virulento envuelto y un neumococo atenuado sin envoltura. Mató las bacterias formadoras de vainas a alta temperatura y las inyectó en ratones junto con bacterias vivas que no formaban vainas. Como resultado, descubrió que los ratones rápidamente enfermaban y morían, y aisló bacterias vivas de la sangre de los ratones. Esto muestra que Agabi en realidad obtuvo algo del Agabi muerto, transformando a Agabi en Agabi. ¿Es correcta esta suposición? Griffith realizó otro experimento en un tubo de ensayo y descubrió que cuando se cultivaban hongos de vaina vivos y muertos en el tubo de ensayo al mismo tiempo, todos los hongos de vaina se convertían en hongos de vaina. Se descubrió que era el ácido nucleico que quedaba en la cáscara. de los hongos de las vainas muertas que produjeron el hongo de las vainas. Las vainas proteicas crecieron (debido a que los ácidos nucleicos de las vainas no se destruyeron durante el proceso de calentamiento). Griffith llamó a este ácido nucleico un "factor de transformación".
En 1944, el bacteriólogo estadounidense Avery (1877~1955) aisló un "factor de transformación" activo de un hongo de vaina y realizó un experimento para comprobar si esta sustancia contenía proteínas. El resultado fue negativo, comprobando que el "factor de transformación" era el ADN. Pero este descubrimiento no fue ampliamente reconocido y la gente sospechaba que la tecnología de la época no podía eliminar la proteína y que la proteína restante desempeñaba un papel en la transformación.
El grupo de fagos del científico alemán-estadounidense Delbrück (1906~1981) creía firmemente en el descubrimiento de Avery. Porque observaron la morfología del fago y el proceso de crecimiento al ingresar a E. coli bajo un microscopio electrónico. Un bacteriófago es un virus que utiliza células bacterianas como huésped. Es tan pequeño que sólo puede verse con un microscopio electrónico. Es como un renacuajo, con una membrana en la cabeza y una vaina en la cola compuesta de proteínas. La cabeza contiene ADN en su interior y la vaina de la cola tiene filamentos, sustratos y pequeños ganchos. Cuando el fago infecta E. coli, la cola primero se une a la membrana celular bacteriana y luego todo el ADN del interior se inyecta en la célula bacteriana. La cáscara vacía de la proteína permanece fuera de la célula bacteriana y no sirve para nada. Después de que el ADN del fago ingresa a la célula bacteriana, utiliza materiales en la bacteria para sintetizar rápidamente ADN y proteínas del fago, replicando así muchos fagos nuevos con el mismo tamaño y forma que el fago original. No es hasta que las bacterias se desintegran por completo que estos fagos abandonan las bacterias muertas e infectan a otras bacterias.
En 1952, Hershey, el miembro principal del grupo de los fagos, y su alumno Chase utilizaron tecnología avanzada de etiquetado de isótopos para realizar experimentos sobre la infección por fagos de E. coli. Usó 32P para marcar el ácido nucleico del fago T2 de E. coli y 35S para marcar la cubierta proteica. E. coli se infectó con el fago T2 y luego se aisló. Como resultado, el fago dejó una cáscara vacía con la etiqueta 35S fuera de E. coli. Sólo se inyectó en E. coli el ácido nucleico marcado con 32P dentro del fago, y el fago se multiplicó con éxito en E. coli. Este experimento demostró que el ADN tiene la función de transmitir información genética y que las proteínas se sintetizan a partir de las instrucciones del ADN. Este resultado fue inmediatamente aceptado por la comunidad académica.
Casi al mismo tiempo, el bioquímico austriaco Chargaff logró redeterminar el contenido de las cuatro bases en los ácidos nucleicos. Influenciado por el trabajo de Avery, creía que si diferentes especies biológicas se debían a diferentes ADN, entonces la estructura del ADN debía ser muy compleja, de lo contrario sería difícil adaptarse a la diversidad del mundo biológico. Por tanto, dudaba de la "hipótesis de los tetranucleótidos" de Levine. Durante los cuatro años comprendidos entre 1948 y 1952, utilizó cromatografía en papel, un método más preciso que la era de Levine, para separar las cuatro bases y las analizó cuantitativamente mediante espectroscopia de absorción ultravioleta. Después de repetidos experimentos, finalmente obtuvo un resultado diferente al de Levine. Los resultados experimentales muestran que el número total de purinas y pirimidinas en la macromolécula de ADN es igual, entre las cuales la adenina A y la timina T son iguales, y la guanina G y la citosina C son iguales. Muestra que las bases A y T, G y C en la molécula de ADN están emparejadas, negando así la "hipótesis del tetranucleótido" y proporcionando pistas y bases importantes para explorar la estructura molecular del ADN.
El 25 de abril de 1953, la revista británica "Nature" publicó los resultados de la investigación del estadounidense Watson y el británico Crick en la Universidad de Cambridge: el modelo molecular de la estructura de doble hélice del ADN, que más tarde fue Aclamado como el siglo XX. El mayor descubrimiento en biología desde entonces marcó el nacimiento de la biología molecular.
Watson era un chico muy inteligente en la escuela secundaria. Ingresó a la Universidad de Chicago a los 15 años. Gracias a un programa educativo experimental que permitía la admisión temprana, Watson tuvo la oportunidad de tomar cursos en diversos aspectos de las ciencias biológicas. En la universidad, Watson recibió poca formación formal en genética, pero desde que leyó What is Life de Schrödinger? ——La apariencia física de las células vivas" lo impulsó a "descubrir los secretos de los genes". Es bueno haciendo lluvias de ideas, aprendiendo de los demás y enriqueciéndose con las ideas de otras personas. Siempre que existan las condiciones convenientes, puede obtener el conocimiento que necesita y no es necesario que se esfuerce por aprender un campo completamente nuevo. Watson recibió su doctorado a la edad de 22 años y fue enviado a Europa para una investigación postdoctoral con el fin de comprender completamente la estructura química de un gen viral. él fue a un laboratorio en Copenhague, Dinamarca, para estudiar química. Yo fui a Nápoles, Italia con mi tutor para asistir a una conferencia sobre macromoléculas biológicas, y tuve la oportunidad de escuchar al biólogo físico británico Wilkins (1916~?) y ver. Fotografías de difracción de rayos X del ADN de Wilkins. A partir de entonces, encontré la solución. La idea de desbloquear la clave de la estructura del ADN ha estado presente en la mente de Watson. Así que fue a estudiar al Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, donde Watson conoció a Crick.
Crick era un apasionado de la ciencia en el instituto y se graduó en la Universidad de Londres en 1937. En 1946 leyó ¿Qué es la vida? ——La apariencia física de las células vivas, decidió aplicar los conocimientos de la física al estudio de la biología y desde entonces se interesó por la biología. 1947, reanudó sus estudios de posgrado. En 1949, él y Peruzzi utilizaron la tecnología de rayos X para estudiar la estructura molecular de las proteínas, por lo que conocieron a Watson aquí. En ese momento, Crick era 12 años mayor que Watson y aún no había recibido su doctorado. Pero hablaron de manera muy especulativa y Watson se sintió afortunado de encontrar aquí a alguien que sabía que el ADN era más importante que las proteínas. Al mismo tiempo, Watson sintió que Crick era la persona más inteligente que jamás había conocido. Hablan al menos varias horas todos los días, discutiendo temas académicos. Las dos personas se complementan, se critican y se inspiran mutuamente. Creen que desentrañar la estructura molecular del ADN es la clave para resolver los misterios de la herencia. Sólo con datos precisos de difracción de rayos X podremos descubrir más rápidamente la estructura del ADN. Para obtener datos de difracción de rayos X del ADN, Crick invitó a Wilkins a Cambridge durante un fin de semana. Durante la conversación, Wilkins aceptó la opinión de que la estructura del ADN es una hélice y también habló sobre su colaboradora Franklin (1920-1958, mujer) y los científicos del laboratorio, que también estaban luchando con el problema de los modelos estructurales del ADN. Entre noviembre de 1951 y abril de 1953, Watson y Crick tuvieron varios intercambios académicos importantes con Wilkins y Franklin.
En noviembre de 1951, Watson quedó profundamente inspirado después de escuchar el detallado informe de Franklin sobre la estructura del ADN. Watson y Crick, que tenían cierto conocimiento del análisis de la estructura cristalina, se dieron cuenta de que si querían construir rápidamente un modelo de estructura del ADN, solo podían utilizar los datos de análisis de otras personas. Pronto se les ocurrió la idea de una estructura de ADN de triple hélice. A finales de 1951, invitaron a Wilkins y Franklin a discutir el modelo, y Franklin señaló que habían subestimado a la mitad el contenido de agua del ADN, por lo que el primer modelo fracasó.
Un día, Watson fue al Laboratorio Wilkins del King's College y Wilkins sacó una fotografía reciente de difracción de rayos X del ADN "tipo B" tomada por Franklin. Watson inmediatamente se emocionó cuando vio la foto y su corazón latió más rápido, porque esta imagen era mucho más simple que la anterior "Tipo A". Basta con mirar la fotografía de difracción de rayos X "tipo B" y hacer algunos cálculos sencillos para determinar el número de cadenas de polinucleótidos en la molécula de ADN.
Crick pidió a matemáticos que le ayudaran a calcular y los resultados demostraron que las purinas tienen tendencia a atraer a las pirimidinas. Basándose en este resultado y en la igualdad de dos purinas y dos pirimidinas en los ácidos nucleicos obtenidos de Chargaff, formaron el concepto de emparejamiento de bases.
Pensaron mucho sobre el orden de las cuatro bases, dibujaron la estructura de la base en papel una y otra vez, jugaron con el modelo, plantearon hipótesis una y otra vez y revocaron sus suposiciones una y otra vez.
Una vez, Watson estaba jugando con el modelo según sus propias ideas. Movió las bases para encontrar varias posibilidades de emparejamiento. De repente, se animó cuando descubrió que un par adenina-timina, unidos por dos enlaces de hidrógeno, tenía la misma forma que un par guanina-citosina, unidos por tres enlaces de hidrógeno. Porque el misterio de por qué las purinas y las pirimidinas tienen exactamente el mismo número está a punto de resolverse. La ley de Chargaff de repente se convirtió en una consecuencia inevitable de la estructura de doble hélice del ADN. Por tanto, no es difícil imaginar cómo utilizar una hebra como plantilla para sintetizar otra hebra con una secuencia de bases complementaria. Entonces, las columnas vertebrales de las dos cadenas deben estar en direcciones opuestas.
Tras el intenso y continuo trabajo de Watson y Crick, rápidamente se montó el modelo metálico de ADN. En este modelo, podemos ver que el ADN está formado por dos hebras de nucleótidos que están enrolladas en direcciones opuestas a lo largo de un eje central, muy parecido a una escalera de caracol. Los reposabrazos de ambos lados son la columna vertebral de los grupos alternos de azúcar y fósforo de las dos cadenas de polinucleótidos y los pedales son los pares de bases. Al carecer de datos radiológicos precisos, no se atreven a concluir que el modelo es totalmente correcto.
El siguiente enfoque científico es comparar cuidadosamente los patrones de difracción predichos por este modelo con datos experimentales de rayos X. Volvieron a llamar a Wilkins.
En menos de dos días, Wilkins y Franklin utilizaron análisis de datos de rayos X para confirmar la exactitud del modelo de estructura de doble hélice y escribieron dos informes experimentales, que se publicaron en la revista británica Nature. En 1962, Watson, Crick y Wilkins ganaron el Premio Nobel de Medicina y Fisiología, mientras que Franklin murió de cáncer en 1958 y no ganó el premio.
Después del descubrimiento de la estructura de doble hélice del ADN, conmocionó enormemente al mundo académico e inspiró el pensamiento de la gente. Inmediatamente después se llevaron a cabo una gran cantidad de estudios de biología molecular centrados en la genética. Primero, se llevó a cabo una investigación experimental sobre cómo organizar y combinar cuatro bases para codificar 20 aminoácidos. En 1967, el código genético fue completamente descifrado y se obtuvo un nuevo concepto de genes a nivel molecular del ADN. Muestra que un gen es en realidad un fragmento de una macromolécula de ADN, una unidad funcional y estructural de material genético que controla los rasgos biológicos. Muchos nucleótidos de este fragmento unitario no están dispuestos al azar, sino que están dispuestos en una secuencia de código significativa. Una determinada estructura del ADN puede controlar la síntesis de proteínas de la estructura correspondiente. La proteína es un componente importante de los organismos vivos y las características de los organismos vivos se reflejan principalmente en las proteínas. Por lo tanto, los genes controlan los rasgos a través del ADN que controla la síntesis de proteínas. Sobre esta base, aparecieron una tras otra la ingeniería genética, la ingeniería enzimática, la ingeniería de fermentación, la ingeniería de proteínas, etc. El desarrollo de estas biotecnologías seguramente permitirá a la gente utilizar las leyes biológicas en beneficio de la humanidad. A medida que la biología moderna se desarrolla, resulta cada vez más claro que se convertirá en una disciplina dominante.