Po raz kolejny w wielu miejscach w Polsce obchodziliśmy Dzień Diagnosty Laboratoryjnego. Święto, wyznaczone przez Krajową Izbę Diagnostów Laboratoryjnych, stanowi pamiątkę po odkryciu w 1961 roku tajemnicy kodu genetycznego przez Marshalla Warrena Nierenberga oraz Johanna Heinricha Matthaei – amerykańsko-niemiecki duet naukowców.

800px Nierenberg matthaeiZanim opowiemy o tym, warto wrócić do korzeni i przypomnieć fakt, że już w XIX wieku zaczęto zastanawiać się nad zjawiskiem zmienności i dziedziczenia cech. Absolutnym pionierem w tej dziedzinie był zakonnik Grzegorz Mendel, znany z podręczników szkolnych jako ojciec genetyki klasycznej, a przede wszystkim pojęcia genu oraz cechy dominującej i recesywnej. Nie mylił się, jego tezy znalazły potwierdzenie w opracowaniach innych badaczy - E. Tschermaka, H. De Vriesa i C. Corrensa. Wówczas genetyka służyła przede wszystkim do uzyskiwania lepszych odmian roślin.

W 1913 zidentyfikowano geny jako jednostki ułożone liniowo na chromosomach w jądrze komórki, a kolejny przełom przyniosło rozpoznanie przez Oswalda Avery wraz z Colinem MacLeodem i Maclynem McCartym DNA jako nośnika informacji genetycznej. Zrywało to z dotychczasowym poglądem o pełnieniu tej roli przez białka.

Gdy świat nauki nabrał pewności wobec najnowszych odkryć, przyszedł czas na przedstawienie modelu dla odkrytego kwasu deoksyrybonukleinowego. Erwin Chargaff w 1950 roku dostarczył ku temu cennej poszlaki. Dowiódł, że stosunek molowy nukleotydów - adeniny do tyminy oraz cytozyny do guaniny - jest równy i stały u wszystkich gatunków. W roku 1953 James D. Watson i Francis Crick zaproponowali  model struktury podwójnej helisy z wiązaniami wodorowymi łączącymi pary zasad. Stąd też niekiedy można spotkać się z nazwą „pary Watsona-Cricka”. W 1954 roku Marianne Grunberg-Manago i Severo Ochoa opracowali metodę syntezy fosforylazy polinukleotydowej, co dało szansę na otrzymywanie małych ilości kwasów nukleinowych in vitro.

Późniejsze badania pokazały światu zjawisko hybrydyzacji kwasów nukleinowych oraz dały poznać mechanizm ich replikacji, który opisali Matthew Meselson oraz Franklin Stahl, różnicując nici na podstawie zawartości izotopów azotu. Komórki Escherichia coli hodowali wpierw na pożywkach zawierających jedynie azot o masie atomowej 15. W następnym pokoleniu komórki bakteryjne były przenoszone do pożywki zawierającej tylko bardziej powszechny, azot o masie bliskiej 14. Właściwości nici udało im się rozróżnić poprzez wirowanie w gradiencie chlorku cezu.

Sam sposób przełożenia kolejności nukleotydów na wbudowywanie aminokwasów w strukturę białka próbował rozpracować tzw. „Klub Krawatów RNA” („The RNA Tie Club”), założony przez amerykańskiego fizyka rosyjskiego pochodzenia -  George’a Gamowa. Zespół liczył dwudziestu naukowców, a każdy z nich otrzymał „przydomek” w postaci nazwy z jednego aminokwasów. Znakiem charakterystycznym były też krawaty noszone przez wszystkich panów – z wyhaftowanymi na nich wzorami wybranych cząsteczek. Mimo wytężonej pracy, osobliwej grupie nie udało się jeszcze „złamać kodu”, którym rządzi się proces translacji.

W 1955 roku w liście do „The RNA Tie Club” angielski biochemik, genetyk i biologii - Francis Crick – zasugerował za to istnienie adaptorowych cząsteczek RNA, które łączą aminokwasy na podstawie informacji na matrycowym DNA. Trzy lata później istnienie tRNA potwierdziły badania.

Kluczowy okazał się eksperyment Marshalla W. Nirenberga oraz Johanna Heinricha Matthaei, pracujących wówczas w amerykańskim National Institutes of Health (NIH), którzy postanowili rozwiać tajemnicę zapisu informacji genetycznej. Odbył się on właśnie 27 maja 1961, a zaczął o godzinie 3 nad ranem. W swojej pracy wykorzystali znaną już technikę tworzenia homopolimerów nukleotydów oraz hipotezę Petera Lengyela i Josepha Speyera, wówczas sprzed kilku miesięcy, o możliwości syntezy łańcucha aminokwasów na bazie kolejności nukleotydów mRNA w środowisku pozakomórkowym.

Bez tytułu2

Tak oto poli-U (polimer uracylu) postanowili inkubować w ekstrakcie Escherichia coli w pożywce z fenyloalaniną oznaczoną węglem C-14. Tutaj właśnie nastąpił przełom. Udało im się uzyskać polipeptydy tego aminokwasu, które zidentyfikowali dzięki radioaktywnemu izotopowi. Wniosek był jeden – polimer poli-U W obecności ekstraktu E. coli wbudowuje fenyloalaninę do struktury białek. Kolejne eksperymenty potwierdziły, że poli-(U) jest matrycą do syntezy polifenyloalaniny, a jej kod składa się z trzech reszt azotowych - uracylu. W analogiczny sposób, dzięki użyciu matrycy poli-(C) otrzymali następnie poliprolinę, której zapis na matrycowym RNA to znany nam dziś triplet CCC. Uzyskane homopolipeptydy wytrącono jako osad na filtrach w kwasie trichlorooctowym (TCA).

marshall w nirenbergDo roku 1966 ludzkość znała już wszystkie 64 kodony nukleotydowe (liczba wszystkich możliwości to po prostu 43). Kontynuując pracę nad wielkim odkryciem, Nirenberg dowiódł również, że różne kodony mogą determinować ten sam aminokwas, a proces translacji może odbywać się wyłącznie z jednoniciowego RNA. W 1965 roku Nirenberg z pomocą współpracowników z NIH - Mertona Bernfielda, Leona Heppela, Philipa Ledera oraz Maxine Singer zostali pierwszymi ludźmi, którym udało się w całości poznać kod genetyczny organizmów żywych, za co dostali w 1968 Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny.

To właśnie dzięki temu, przez zaledwie kilka dziesięcioleci genetyka osiągnęła tak niewyobrażalny poziom i tempo rozwoju. Daje dziś szansę  na walkę z chorobami uznawanymi za nieuleczalne. Może służyć także do przewidywania schorzeń, a także personalizowania terapii. Znajduje zastosowanie w coraz większej liczbie dziedzin współczesnego życia, docierając ze swoimi zdobyczami w każdy zakątek świata. Możemy być dumni, że jako Diagności Laboratoryjni, jesteśmy związani na co dzień z nauką, do której zdecydowanie należy przyszłość.

Na podstawie artykułu: "Odyseja 1961: 50 lat kodu genetycznego" - Marta M. Gabryelska, Jan Barciszewski - Kwartalnik "NAUKA" wyd. 3/2011, Biuro Upowszechniania i Promocji Nauki Polskiej Akademii Nauk, s. 77-88