Znanstvena ostavština Jamesa Watsona. Prijelomno otkriće i problematični postupci

Dvostruka zavojnica nije samo lijepi prikaz, fotografija DNA, to je model koji je otvorio put definiranju genetskog koda, razumijevanju transkripcije, sekvenciranja PRC-a, genomike i mnogih drugih postignuća, piše Tamara Čačev u povodu nedavne smrti Jamesa Watsona. No, kad znanstvenici rano u životu dosegnu najviša priznanja koja u karijeri mogu dostići, uvijek postoji mogućnost da u ostatku života koji provode pod budnim okom javnosti naprave nešto što može narušiti njihov ugled.

• Naslovna fotografija: Crno-bijela skica Jamesa Watsona. (Midjourney v7)

• Dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Koja je prva asocijacija koja vam pada na pamet vezano uz biologiju? Nedavno je takvo pitanje bilo postavljeno na jednoj društvenoj mreži. Ljudi su imali različite odgovore, pogotovu su mi bili zanimljivi odgovori onih za koje znam da su druge struke, i svi su bili utemeljeni, poput primjerice odgovora – stanica. No, moja je prva asocijacija bila molekula DNA.  Zanimljivo je da je to pojam koji me prvi zaintrigirao za struku kojom se danas bavim, a još mi se čini zanimljivijim da je i nakon sveg tog školovanja i dalje pojam koji mi prvi padne na pamet uz prethodno pitanje. Možda bi moja definicija ove molekule danas bila preciznija i stručnija, no esencijalna vrijednost tog pojma koja ga čini fascinantnim je i dalje ista. Jer ova molekula je zajednički nazivnik svih živih bića.

O tome kako se svojstva nasljeđuju razmišljalo se i daleko prije nego što se došlo do spoznaje o kojem se točno nasljednom materijalu radi. Zapravo, možemo reći kako se prilično toga znalo o ovoj temi i dok se nije znalo da je nasljedna tvar DNA, a još manje njena kemijska struktura koja joj omogućava da djeluje kao nasljedna osnova. No, u kolektivnoj svijesti 20. stoljeća, tek je dvostruki heliks toliko očarao ljude i danas je opće mjesto koje se koristi za ikonografiju gotovo svakog grafičkog rješenja koje pretendira ilustrirati neku znanstvenu ideju u području biologije.

Nacrtaš dvostruku zavojnicu i svi odmah znaju što si otprilike želio da tvoj logo ili plakat, ponekad i stepenište u nekom institutu, emanira. Na sličan način kao što se AI danas  provlači kroz sve i svašta, jer odaje dojam učenosti, tako je i dvostruki heliks, imao on veze ili ne imao s onim što reklamira (od kozmetike do „zdravstvene usluge“), garancija da onaj koji ga koristi ima neku znanstvenu težinu.

­
Maurice Wilkins, Francis Crick (treći s lijeva) i James Watson (peti s lijeva) na dodjeli Nobelovih nagrada 1962.

Uz ovaj veličanstveni koncept vezana su imena koja su također postala poznata širom svijeta, što nije uvijek slučaj sa svim dobitnicima Nobelovih nagrada. Naravno riječ je o Jamesu Watsonu i Francisu Cricku. Iako je uz njih ovu nagradu 1962. dobio i Maurice Wilkins, on je nekako uvijek bio u drugom planu. No, barem je dobio stručno priznanje, ako već ne i svjetsku slavu. Ostali, na čijem se radu temeljio rad Watsona i Cricka, poput znanstvenice Rosalind Franklin, britanske kristalografkinje, nisu dobili ni to, sve donedavno otkad se u udžbenicima iz biologije i popularnom žanru biografija, ako već nigdje drugdje, ova nepravda nastoji ispraviti. Watson i Crick su pri modeliranju koristili Franklinine podatke koje nisu dobili u potpuno korektnim okolnostima a kako Franklin umire u 38. godini (1958.g) od raka, kao i mnogi kristalografi prije nje, Nobela za fiziologiju ili medicinu 1962. dobivaju Watson, Crick i  Wilkins. Danas bi se takvi postupci smatrali krajnje neetičnima međutim, u tadašnjem britanskom akademskom sustavu, osobito među muškim fizičarima i biolozima, Franklin se doživljavala kao tehnička suradnica više nego kao ravnopravna znanstvenica.

No vratimo se strukturi molekule DNA. Kada vide kao izgleda znanstveni članak u kojem su Watson i Crick prezentirali svoje otkriće, ljudi se obično iznenade. Naime, radi se samo o dvije stranice teksta, zapravo moglo bi se reći čak svega jednoj ako izuzmemo reference, u časopisu Nature (Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid,” Nature, April 25, 1953, vol. 171, p:737–738, https://dosequis.colorado.edu/Courses/MethodsLogic/papers/WatsonCrick1953.pdf slika 1). Nekako se valjda očekuje da tako veliko, fundamentalno otkriće mora biti opisano adekvatnom količinom teksta.  Široj javnosti manje je poznato da je u istom broju Naturea izašao i rad Wilkinsa  i sur. u kojem su prikazani difrakcijski podaci koji podupiru helikalnu organizaciju DNA, te rad Franklin i Goslinga koji daje detaljnu analizu difrakcijskih uzoraka koji kvantitativno potvrđuju parametre modela, te ova tri rada zapravo tvore cjelinu.

Originalni znanstveni rad u kojem je prvi put predstavljena struktura DNA. (Sophia Rare Books)

Kako je to slučaj s mnogim drugim značajnim otkrićima, ovo područje istraživanja nije ni počelo ni završilo s Watsonom i Crickom iako su mu oni dali svjetsku prepoznatljivost. Bilo je tu puno ideja koje su bile načelno u pravom smjeru no završavale bi u slijepim ulicama. Da bi model dvostruke uzvojnice uopće bio moguć, morala su se prije razriješiti tri ključna pitanja: je li DNA uopće genetski materijal, koji je točan kemijski sastav i stehiometrija DNA, te kakva prostorna organizacija može zadovoljiti i kemijska i fizikalna ograničenja ove molekule? Tek kad su sve tri komponente sjele na svoje mjesto zahvaljujući radu mnogih prije njih, Watson i Crick su mogli napraviti ono što jesu: integrirati biokemiju, kristalografiju i prostorno modeliranje u jedinstven, samoodrživ model.

U ovoj povijesti dvostruke zavojnice i otkrića nasljedne osnove mogli bismo krenuti od 19 stoljeća, no pravi je zamah ovo područje doživjelo u prvoj polovici 20.stoljeća. Naime, početkom 20. stoljeća, prevladava ideja da su proteini nositelji nasljeđa zbog ogromne raznolikosti aminokiselina. Nukleinske kiseline znanstvenicima su djelovale prejednostavno za tako kompleksnu funkciju. Ipak, nakon priličnog napora da se pokaže kako su proteini nasljedna osnova, Griffith (1928.) pokazuje kako je moguća transformacija nevirulentnih bakterija u virulentne u prisutnosti „transformirajućeg principa“, dok Avery, MacLeod, McCarty (1944.) pokazuju da je taj princip DNA, a ne protein.

Zatim dolazi  Hershey-Chase eksperiment s T2 bakteriofagom  (1952.) u kojem je pokazano da DNA označena ³²P ulazi u bakteriju i nasljeđuje se dok proteinski omotač označen ³⁵S ostaje izvan bakterije. Zajedno s Averyjem eksperimentom, to učvršćuje paradigmu u kojoj molekula DNA postaje nasljedna osnova a pitanje njene strukture postaje centralno biološko pitanje.

Chargaff potom sustavno analizira sastav DNA različitih vrsta te pokazuje kako omjer dušičnih baza između vrsta varira iz čega zaključuje kako je moguće da nasljedna informacija bude kodirana u molekuli DNA iako u svojem sastavu ima samo 4 tipa dušičnih baza (naspram 20 različitih aminokiselina koje mogu graditi protein). Nije, naime, stvar u broju različitih građevnih elemenata koji mogu kodirati informaciju već je bitan njihov slijed. Iako omjer pojedinih baza među vrstama nije isti, ono što univerzalno vrijedi jest da je količina baze adenin približna količini baze timin, a baze gvanin količini baze citozin. Franklin provodi eksperimente rendgenske difrakcije vlakana DNA te utvrđuje udaljenost između ravnina baza te zaključuje kako jedan puni zavoj u molekuli DNA sadrži 10 dušičnih baza. Slavni difrakcijski uzorak (poznat kao Fotografija 51) s križnim rasporedom refleksija karakterističan je za helikalnu strukturu. Analiza intenziteta refleksija pokazuje da je gustoća elektrona veća na periferiji pa stoga fosfatne skupine moraju biti izvana, a ne u središtu.

Watson i Crick koristili su posredno dobivene rezultate Rosalind Franklin i Fotografiju 51 (na slici), Chargaffova pravila, poznate kovalentne i vodikove udaljenosti, te zahtjev za kemijsku stabilnost i jednostavnost replikacije.

Sama Franklin nije željela brzati s predlaganjem modela dok se u potpunosti ne uvjeri u vjerodostojnost svojih rezultata, no oni su kružili u znanstvenim krugovima. Linus Pauling, još jedan Nobelovac,  tada već slavan zbog α-heliksa, predlaže trostruku zavojnicu s fosfatima u sredini. No taj je model  kemijski nestabilan (negativno nabijeni fosfati zbijeni bez odgovarajuće neutralizacije) i ne slaže se s difrakcijskim podacima. I tada na scenu stupaju Watson i Crick koji koriste posredno dobivene rezultate Rosalind Franklin i Fotografiju 51, Chargaffova pravila, poznate kovalentne i vodikove udaljenosti, te zahtjev za kemijsku stabilnost i jednostavnost replikacije. Tako dolaze do krucijalnih zaključaka kako se radi o dvostrukom a ne trostrukom heliksu. Zatim predlažu pravilo antiparalelnosti prema kojem jedan lanac ide u smjeru od 5′ kraja prema 3′ kraju a, a drugi je položen u antiparalelnom smjeru od 3′ prema 5′ kraju. U njihovom modelu šećer i fosfatna okosnica nalaze se na vanjskim dijelovima heliksa što je kompatibilno s Franklininim gustoćama i interakcijom s vodenim okolišem stanice. U centralnom dijelu heliksa nalaze se dušične baze, adenin se uvijek veže s timinom putem dvije vodikove veze a citozin s gvaninom putem tri vodikove veze i to je načelo komplementarnosti baza. Ono je pak esencijalno za mehanizam replikacije tj. udvostručavanja molekule DNA kako bi se informacija mogla prenijeti iz matične stanice u dvije stanice koje nastaju njenom diobom. U procesu replikacije molekule DNA svaki lanac nosi informaciju za sintezu njemu komplementarnog lanca što nas dovodi do koncepta polukonzervativne replikacije. Njega eksperimentalno potvrđuju Meselson i Stahl 1958. godine.

Zašto je ovo otkriće od fundamentalne važnosti za daljnji razvoj molekularne biologije? Dvostruka zavojnica  nije samo lijepi prikaz, fotografija DNA. Kako to obično biva jedan novootkriveni element znanja kao domino okida učinke na raznim područjima pa je tako ovaj model otvorio put definiranju genetskog koda, razumijevanju transkripcije, translacije, mutacija, razvoju rekombinantne DNA tehnologije, sekvenciranja, PCR-a, genomike, današnjim pristupima poput CRISPR-a, single-cell sekvenciranja itd. Stoga je jasno kako je znanstveni značaj otkrića Watsona i Cricka je dalekosežan i nemjerljiv kao rijetko kad u povijesti znanstvenih otkrića.

Dok se Crick osim kontroverze oko podataka Franklin, u daljnjem životu uglavnom ipak klonio problematičnih situacija i stavova, nedavno preminuli Watson je nažalost bio njegova suprotnost

Kad bismo rangirali Nobelove nagrade za medicinu po važnosti i utjecaju na čovječanstvo, jasno je kako niti u toj prestižnoj kategoriji nisu sva otkrića jednaka, no ovo bi svakako bilo u top 5 po utjecaju koje ima na modernog čovjeka. No, kad znanstvenici rano u svojem životu dosegnu najviše što se u njihovoj karijeri od priznanja može postići, uvijek postoji mogućnost da u ostatku života koji provode pod budnim okom javnosti naprave nešto što može narušiti njihov ugled. I dok se Crick osim kontroverze oko podataka Franklin, u daljnjem životu uglavnom ipak klonio problematičnih situacija i stavova, nedavno preminuli Watson je nažalost bio njegova suprotnost. Stoga i ne čudi kako jedan od najnovijih znanstvenih instituta izgrađenih u Velikoj Britaniji nosi ime Francis Crick Institute a Watsona nema nigdje, možda stoga jer je Watson Amerikanac, no vjerojatnije su drugi razlozi u tome odigrali presudnu ulogu.

Javnost nekako neopravdano očekuje da osoba koja je vrhunski znanstvenik ili umjetnik mora biti vrhunska i u svim ostalim aspektima života, a njeno mišljenje mjerodavno u svim područjima. Uostalom zato imamo koncept razdvajanja osobe od njenog djela. Watsonove izjave o genetskoj podlozi intelektualne inferiornosti crne rase, seksistički komentari o suradnicama i ženama općenito predstavljaju takav primjer. Nažalost niti činjenica da je bio utjecajan pedagog mnogim generacijama molekularnih biologa, autor udžbenika Molecular Biology of the Gene (koji je doživio brojne iteracije te sam ga i ja na koristila na fakultetu) i pokretač brojnih istraživačkih programa te jedan od ključnih inicijatora Human Genome Projecta, ne mogu izbrisati kontroverzne elemente njegove biografije. Stoga možemo reći kako je Watson ostavio nepobitno ogroman trag u biologiji, otvorivši put molekularnoj genetici, genomici i suvremenoj biomedicini. No njegov život i karijera ostali su obilježeni i nizom etičkih i društvenih kontroverzi koje su potaknule šire rasprave o ulozi znanstvenika u javnom prostoru.