„Amint a kémia és a fizika kutatásaival a molekulákig és atomokig hatol, a biológiai tudományoknak is ezen legkisebb egységek tanulmányozásáig kell eljutniuk, hogy ezek kapcsolataiból magyarázza meg az élővilág jelenségeit.”
H. De Vries
A holland botanikus és genetikus e közel egy évszázada fogalmazott programját – teljesítettnek tekinthetjük. A molekuláris genetika ma a dezoxiribonukleinsav (DNS) felépítésében résztvevő és a genetikai ABC-t képező purin és pirimidin bázisok (adenin, guanin, valamint citozin és timin) négy „betűjével” leírható, a fehérjék szintézisét determináló programot igyekszik megfejteni. E programnak egyszerre kell biztosítania: a fehérjemolekulát alkotó aminosavak számát, a beépülő aminosavak milyenségét, az aminosavak szekvenciáját, a polipeptid lánc szekundér és tercier struktúráját – a bioszintézis elemeinek stabilitását térben és időben.
E bonyolult, szakmai zsargonban fogalmazott, egyelőre talán ismeretlen elemekkel tűzdelt bemutatás – előrevetítés csupán. A tudomány a kérdés felvetéséig is lassan jutott el, nem foghatunk „in medias res” a megoldás magyarázatához.
A kromoszómáknak az öröklődésben betöltött szerepét, mint már láttuk (A Hét 1973. 36. sz.) hatalmas tényanyaggal bizonyította Morgan és iskolája. A kémiai felépítésükben résztvevő DNS kimutatása felvetette ennek az anyagnak a jelentőségét az öröklődésben, de az így született hipotézis bizonyításra várt. A bizonyítás pedig nem csupán kísérleti-technikai nehézségekbe ütközött. Egy évszázados hagyományokkal rendelkező, a morfológiára (alaktanra) alapozott kutatási szemléletnek át kellett adnia helyét egy új, dinamikusabb szemléletnek, mely az eddig folyó kémiai kutatások élő szervezetre vonatkozó eredményeit a biológiai ismeretekkel egyesítve, újszerűen próbálja magyarázni az élőanyag mozgástörvényeit.
KÍSÉRLETI MEGFIGYELÉSEK, BIZONYÍTÉKOK
A sejt – többsejtűekre vonatkoztatva a szervezet – valamely kémiai alkotó részének örökléstani szerepe akkor bizonyítható egyértelműen, ha annak tisztított kivonatát egy másik, örökléstanilag jellemző, stabilan különböző tulajdonságot mutató sejtbe (szervezetbe) juttatjuk, és hatására ez utóbbi tulajdonságai a kivonatot adó sejt (szervezet) sajátságainak megfelelően változnak meg. Esetünkben a DNS-nek egy, a kísérlet céljára kiválasztott szervezetből kivont, tisztított formájára van szükség, melyet egy másik, eltérő tulajdonságokkal rendelkező szervezetbe kell bejuttatnunk.
Az első kísérleteknél erre nem volt lehetőség.
F. Griffith bakteriológus 1928-ban a Pneumococcus (a tüdőgyulladás kórokozója) két különböző törzsével végzett kísérletei után érdekes bejelentést tett. Kísérleti egereibe úgynevezett R típusú avirulens (betegséget nem okozó) Pneumococcus-törzset együtt oltott S típusú virulens (betegséget okozó), de hővel előzetesen elölt Pneumococcusokkal. Egy ártalmatlan és egy ártalmatlanná tett baktériumkeveréktől természetesen azt várta, hogy a kísérleti állatokra hatástalannak bizonyul. Az egerek váratlan pusztulása után, azok szerveiből, meglepetésre, S típusú, virulens Pneumococcusokat is sikerült kitenyészteni. Feltételezése szerint az R típusú törzs tagjai az elpusztított S típusú törzs maradványaiból felszabadult valamely anyag hatására alakultak S típusú kórokozókká. Griffith eredetileg egy összetett cukorra – poliszacharidára – gondolt, de hamarosan kiderült, hogy a változásért felelős anyag sokkal alacsonyabb hőmérsékleten tönkremegy, mint a poliszacharidok.
Avery és munkatársai csaknem tíz évi kutatómunka eredményeként 1944-ben tisztázták, hogy az átalakulást okozó anyag a dezoxiribonukleinsav, majd miután 1948-ban Hotchkiss tiszta formában is előállította ezt az anyagot, döntő kísérletben sikerült igazolni a DNS szerepét a tulajdonságok átvitelében. R típusú Pneumococcus törzset olyan táptalajon tenyésztettek, melyhez az S típusból kivont tiszta DNS-t adagoltak, s ennek hatására S típusúvá alakult. A párhuzamosan végzett ellenőrző kísérletekben, a táptalajhoz adott S típusú sejtekből kivont DNS-hez dezoxiribonukleázét (a DNS-t bontó enzim) is adtak, aminek hatására aktivitását elvesztette, s így az R típusú tenyészet módosulást nem mutatott. Későbbi kísérletekben a DNS-nek a sejtbe való tényleges beépülését is sikerült bizonyítani. E célból, a jellegek módosítása céljából, a donor sejtből származó tisztított DNS-t radioaktív izotóppal jelölték, majd a hatására módosult tulajdonságot mutató receptorsejtből azt sikeresen kimutatták.
Azóta a legkülönbözőbb baktériumtörzseken végzett kísérletek százaival igazolták a DNS genetikai szerepét. Más anyagok (zsírok, cukrok, fehérjék) genetikai szerepét nem sikerült kimutatni.
(A DNS rövidítése nem nemzetközi. Idegen nyelvű szakirodalomban, más formáival: ADN – acid dezoxiribonucleic, DNA – dezoxiribonucleic acid találkozunk.)
A bakteriológiai kísérletek után – főleg szovjet kutatók – magasabb rendű állatokon is végeztek hasonló kísérleteket. Az e célra kiválasztott tyúkfajták öröklődő változásait először vérátömlesztéssel (Sopikov), majd spermával történő injekciózással (Gromov és munkatársai) igyekeztek befolyásolni. A kezelés hatására egyes, a véradó fajtára jellemző tulajdonságok (mint a tollazat színváltozása) a vérkapó egyedeken már az első nemzedékben megfigyelhetők voltak, majd – folytatva a kísérletet – a negyedik nemzedékben már igen határozottakká váltak. Feltételezhető, hogy ezek a változások is a madárvér vörösvérsejtjeiben és a spermiumokban jelenlevő DNS hatásának tulajdoníthatók.
I. Benoit francia kutató és kollektívája (1959) Khaki Campbell rucák hímjének vörösvérsejtjeiből és heréiből kivont, kémiailag csaknem teljesen tiszta DNS-t alkalmazott kísérleteihez. DNS-kivonatukat pekingi kacsák csibéinek hasüregébe vitték be. A kezelt állatoknál egyes jellegek olyan határozott változásai jelentkeztek, hogy azokat a Khaki Campbell-fajtához tették hasonlatossá. Több nemzedéken át követve a kezelt állatok utódait, az azokon megfigyelt új jellegeket örökletesen rözítettnek találták.
AZ ÖRÖKLETES TULAJDONSÁGOKAT DETERMINÁLÓ ANYAG
Eddigi bizonyítékaink alapján joggal tekinthetjük a DNS-t az örökletes tulajdonságok meghatározó és hordozó anyagi alapjának. Kérdés, hogy ez az anyag miként képes e biológiai determináció megvalósítására. Szerkezetének olyan komplex és sokoldalú működésre kell alkalmasnak lennie, melyet eddig nemigen lehetett volna egy kémiai anyagról feltételezni, bármennyire bonyolult szerkezetű legyen is.
Mindazon tényezőknek, amelyek az élő anyagnak az evolúció folyamán létrejött, legkülönbözőbb módon alakult formáit, faji és fajtatulajdonságait (sőt a szervezet önmegújító tevékenysége során az egyéni tulajdonságokat) fenntartják s azokat az öröklődés jelensége folytán nemzedékeken át állandósítják, néhány DNS molekulában – a szervezet minden sejtjében jelen kell lenniük.
Az élő szervezet legjellemzőbb tulajdonsága: a környezetével folytatott anyagcsere folytán történő állandó önmegújítása. E folyamatban szüntelenül azonos minőségű – felépítésű – fehérjéknek kell létrejönniük, melyek nemcsak fajonként, fajtánként, de egyedenként is fajlagos tulajdonságokat mutatnak. Ezért a genetikai determináció mikéntjére elsősorban a fehérjeszintézis szintjén kell választ keresnünk. A fehérjék felépítésében részt vevő 20 aminosav minőségi és mennyiségi megoszlása, a fehérjék szerkezetébe való beépülési sorrendje, térbeli elhelyezkedése, valamint a nem fehérje természetű anyagokkal való kapcsolata szigorúan meghatározott, akárcsak szervezetszinten sorrendben kialakult működések beindulása és megszűnése. Ha tehát a DNS genetikai irányító szerepét elfogadjuk, benne olyan jelrendszert tételezünk fel, mely mindezeket képes determinálni. E feltételezéssel az öröklődés egyik részét, a tulajdonságokat állandósító jellegét – konzervatizmusát – már meg is magyaráztuk. Az öröklődés konzervatizmusának ellenpólusa: a változékonyság viszont a faj fennmaradásának szintúgy feltétele. Az élő szervezet merev stabilitása változott környezeti feltételek mellett annak pusztulását okozná. A rendszer determinizmusa tehát nem lehet merev. Új helyzetben a külső ok szerint változnia kell a belső szabályozásnak: be nem programozott helyzetben is kiegyensúlyozott állapotot kell létrehoznia, s ennek a jelrendszerben is változást kell eredményeznie. Enélkül elképzelhetetlen lenne az élővilág evolúciója, mely a szervezetek sokféleségét létrehozta. E mechanizmus részleteinek megismeréséhez a DNS szerkezeti felépítésének felfedezése olyan kulcsjelentőségű ismeretnek látszik, mely a biológia számára az első kapukat már megnyitotta.
A KÉMIAI SZERKEZET
A nukleinsavak nukleotidok polimerizációja útján keletkeznek. Aszerint, hogy a szerkezetükbe beépülő nukleotidok cukorkomponensei dezoxiribozt vagy ribozt tartalmaznak-e, beszélünk dezoxiribonukleinsavról vagy ribonukleinsavról. A DNS nukleotidái foszforsavból, dezoxiribozból és egy purin vagy pirimidin bázisból épülnek fel. (A bázisok: adenin és guanin, illetőleg citozin és timin lehetnek. Fontos megfigyelés, hogy az adenin és timin, valamint a guanin és citozin mennyisége egymásnak mindig pontosan megfelel, viszont e bázispárok aránya semmilyen törvényszerűséget nem mutat és fajonként változó.) A nukleotidákat a cukorrész és foszforsav között kialakuló kötés kapcsolja össze. Egy foszforsav molekula tehát két-két cukormolekulát úgynevezett foszfátkötéssel kapcsol egybe. A bázisok a cukormolekulához kapcsolódnak.
1954-ben Watson és Crick kimutatta, hogy a DNS molekula két, egymás köré csavart nukleotidláncból áll, melyekben a szembefekvő bázispárok közötti hidrogénkötések a két hélixet összekapcsolják. A molekula nagyságrendje szinte határtalan lehet. Molekulasúlya legalább milliós nagyságrendű, de elérheti a százmilliót is.
Hossza milliméteres nagyságig nőhet, átmérője 18 Angström. A DNS bázisainak sorrendje igen változatos lehet – mint látni fogjuk, ez teszi értelmezhetővé a genetikai ábécét – arányuk viszont egymásnak pontosan megfelelő, s az egymás köré csavart foszfor–pentóz láncokban egymással szemben mindig a timin–adenin (T–A), illetve guanin–citozin (G–C) pár áll.
Biológiai szempontból rendkívül fontos a DNS-lánc önreprodukciója, „szaporodási módja”, ugyanis a sejtosztódás folyamatában elsőrendű feltétel ennek mennyiségi megkétszereződése. A Watson és Crick által leírt modell alapján a fizikai és biológiai kísérleti eredményeket egybevetve, a folyamatot a következőképpen magyarázhatjuk: a DNS molekula térbeli felépítése lehetővé teszi, hogy aránylag igen kis energia hatására a két hélix elektromosan feltöltődjék. Ennek következménye, hogy a két nukleotidlánc elektrosztatikus töltése széttaszítja a két fonalat, elszakítva a hidrogénkötéseket, s azok villámzárszerűen szétcsavarodnak. A DNS molekula szétcsavarodása elszakítja egymástól a szemben fekvő bázispárokat, a fél DNS-spirálisok viszont az anyagcsere-folyamatban ismét kiegészülnek, és így két új kettős hélix képződik. Említettük már, hogy a bázispárok meghatározottak, tehát az önreprodukció folyamatában a molekula szerkezete nem változhat, a fél DNS molekulák mindenike modellje (mátrixa) a ráépülő, kiegészítő molekulának. Így magyarázható, hogy a DNS molekulában annak a bázispárok sorrendje által megszabott – minden specifikus tulajdonsága elvileg korlátlan ideig rögzíthető, sőt a sejtosztódás során továbbadható. Az információelmélet fogalmai szerint: úgy képes önmagát sokszorozni, hogy információtartalma nem változik. A DNS molekula, a fehérjeszintézis és az öröklődés biológiai folyamata ily módon kerülnek egymással kapcsolatba.
Megjelent A Hét V. évfolyama 24. számában, 1974. június 14-én.
