Wir schreiben das Jahr 1869 und ein junger Forscher arbeitet in einem Labor in einem alten Schloss in Deutschland, um eine bemerkenswerte Entdeckung zu machen. Das Labor untersucht die Zusammensetzung von Zellen, und Friedrich Miescher analysiert relativ einfache weiße Blutkörperchen, die er aus dem Eiter in ausrangierten Verbänden einer örtlichen Klinik extrahiert.
Nachdem er seine Bemühungen zur Klassifizierung der Proteine der Zelle erschöpft hat, wendet sich Miescher einer anderen Substanz zu, die immer wieder in seinen Proben auftaucht. Er findet es seltsam – eine Säure, die Phosphor enthält – und erklärt, er habe eine völlig neue Art von Substanz entdeckt. Nuclein oder DNA, wie wir es jetzt nennen, wurde gefunden.
Wie jeder gute skeptische Wissenschaftler ist Mieschers Chef Felix Hoppe-Seyler vorsichtig und wartet mit einer Wiederholung der Experimente, bevor er zwei Jahre später die Veröffentlichung erlaubt. Aber diese Verzögerung würde sich als vernachlässigbar erweisen; Es dauerte noch viele Jahrzehnte, bis Wissenschaftler die Bedeutung der DNA erkannten.
Misecher fuhr fort, DNA in einer Vielzahl von Zellen zu finden, aber selbst er konnte nicht glauben, dass nur eine Substanz die enorme Vielfalt des Lebens hervorgebracht hat. Der Wettlauf um das Verständnis der Entdeckung der DNA war eröffnet.
Noch in den 1940er Jahren dachten die meisten Wissenschaftler, dass Proteine – große biologische Moleküle in allen Formen und Größen – die einzigen Substanzen seien, die komplex genug seien, um Vererbungsstoffe zu sein.
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Chromosomen, die Spulen aus DNA und Proteinen, die Gene enthalten, wurden erstmals in den frühen 1840er Jahren in Zellen entdeckt. Später in diesem Jahrhundert sahen die Forscher, dass sie sich in ihrer Zahl verdoppelten und sich dann während der Zellteilung wieder in separate „Tochter“-Zellen halbierten. Im Jahr 1865 verwendete der österreichische Mönch Gregor Mendel Erbsenpflanzen, um Theorien zur genetischen Vererbung zu erforschen, und schlug vor, dass Merkmale in diskreten Einheiten vererbt werden.
Als seine Forschung in den frühen 1900er Jahren wiederentdeckt wurde, stellte eine Flut von Arbeiten fest, dass diese Einheiten oder Gene in Chromosomen vorhanden sein müssen. Aber woraus bestanden sie – DNA oder Protein – und wie sahen sie aus?
Ein deutscher Arzt namens Albrecht Kossel machte einige der ersten Schritte, um das herauszufinden. Er arbeitete Ende des 19. Jahrhunderts unter Hoppe-Seyler und entdeckte die „Basen“ der DNA (das chemische Gegenteil von Säuren) und nannte sie Thymin (T), Adenin (A), Cytosin (C) und Guanin (G).
Diese Arbeit wurde von Phoebus Levene fortgesetzt, einem litauischen Forscher, der Anfang der 1890er Jahre wegen Antisemitismus in seiner Wahlheimat St. Petersburg nach New York getrieben wurde. Ab Mitte der 1890er Jahre untersuchte Levene drei Jahrzehnte lang die Struktur der DNA und identifizierte ihre anderen Bestandteile:einen Zucker namens Desoxyribose und Phosphatgruppen.
Er entdeckte auch, dass DNA aus Einheiten besteht, die er Nukleotide nannte. Diese bestehen jeweils aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer Base und sind durch Bindungen zwischen den Phosphatgruppen eines Nukleotids und dem Zucker des nächsten verbunden und bilden ein sogenanntes Rückgrat.
Aber das war auch schon alles, was seine korrekten Feststellungen betrafen. Er dachte, dass jedes DNA-Molekül nur vier Nukleotide enthält, eines mit jeder Basenart, die in einem Ring verbunden sind, den man „Tetranukleotid“ nennt.
Levenes Tetranukleotide waren zu einfach, um einen genetischen Code zu tragen, und verstärkten so die Idee, dass Proteine der Erbfaktor sein müssen. Um die verborgene Komplexität der DNA aufzudecken, war ein genauerer Blick erforderlich. Während Levene in New York die Komplexität der DNA entschlüsselte, entwickelte ein Vater-Sohn-Team auf der anderen Seite des Atlantiks eine Technik, die sich als Schlüssel zur Bestimmung der DNA-Struktur erweisen sollte.
William Henry Bragg, ein Physiker an der University of Leeds, und sein Sohn William Lawrence Bragg, ein Forscher am Cavendish Laboratory in Cambridge, legten zwischen 1912 und 1914 den Grundstein für das Gebiet der Röntgenkristallographie.
Sie wurden von der Arbeit von Max von Laue inspiriert, der 1912 entdeckte, dass Röntgenstrahlen beim Durchdringen von Kristallen, Substanzen mit hochgeordneten Strukturen, gebeugt werden. Der jüngere Bragg argumentierte, dass die Art und Weise, wie sich die Röntgenstrahlen durch Kristalle biegen, etwas über ihre Struktur enthüllen würde, weil sie geordnete Atommuster haben.
Sein eher praktisch denkender Vater baute das erste Röntgenspektrometer – ein Gerät, mit dem ein schmaler Röntgenstrahl auf Substanzen geschossen werden konnte – und gemeinsam testeten sie die Theorie über Salzkristalle.
Bei diesen Experimenten platzierten sie eine Fotoplatte hinter dem Kristall, auf der die gestreuten Röntgenstrahlen ein charakteristisches Muster erzeugen würden. William Lawrence Bragg entwickelte eine Gleichung, bekannt als Braggs Gesetz, die es ihnen ermöglichte, von den Mustern rückwärts zu arbeiten, um die Struktur des Kristalls abzuleiten. Das Paar gewann 1915 einen Nobelpreis.
Eine der ersten Gruppen, die diese Technik auf biologische Moleküle anwandte, wurde von William Astbury geleitet, der 1928 an der University of Leeds zu arbeiten begann, nachdem er bei William Henry Bragg an der Royal Institution studiert hatte. Im Jahr 1937 erhielt Astbury vom schwedischen Forscher Torbjörn Caspersson Proben von Kälber-DNA.
Ein paar Jahre zuvor hatte Caspersson gezeigt, dass DNA ein Polymer ist – eine lange Kette von Nukleotiden – und nicht die kurzen Längen, die Levene vorgeschlagen hatte. Astburys Doktorandin Florence Bell machte in diesem Jahr das erste von Hunderten von Röntgenbeugungsbildern von DNA.
Die Tatsache, dass es überhaupt ein Muster erzeugte, deutete darauf hin, dass DNA eine „auflösbare“ Struktur hatte. Die Bilder von Astbury und Bell sehen im Vergleich zu den klaren Bildern, die Rosalind Franklin in den frühen 1950er Jahren erstellte, wie Schmierflecken aus, aber sie enthüllten eine entscheidende Tatsache:den Abstand zwischen den Basen im DNA-Molekül.
1938 verwendete Astbury die Bilder, um eine Struktur für DNA vorzuschlagen, in der die Basen übereinander gestapelt sind, aber die Bilder waren nicht detailliert genug, um viel weiter zu kommen.
Der Wettlauf um die DNA-Struktur
In der Zwischenzeit, zurück in den USA, war ein medizinischer Forscher namens Oswald Avery damit beschäftigt, ein Experiment von 1928 zu verfeinern, das von einem britischen Mikrobiologen namens Fred Griffith durchgeführt wurde. Er hatte gezeigt, dass es möglich war, harmlose Bakterien und ihre Nachkommen gefährlich zu machen, indem man sie mit virulenten Bakterien mischte, was darauf hindeutete, dass etwas von den virulenten auf harmlose Bakterien übertragen wurde.
Avery und seine Kollegen schufen bewusst Bedingungen, unter denen nur DNA – nicht Protein – übertragen werden konnte.
Auf diese Weise stellten sie fest, dass nur die DNA Merkmale weitergeben kann. Obwohl viele sich weigern würden, es zu glauben, war die DNA stark als Träger der Vererbung involviert, und die Wissenschaft hatte die Werkzeuge, um herauszufinden, wie sie aussah. In den 1950er Jahren wurden die Voraussetzungen für den Wettlauf um die Entdeckung der DNA-Struktur geschaffen – nur dass nicht jeder wusste, dass es sich um einen Wettlauf handelte.
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Die DNA-Forschung sollte von der Stimmung in der Wissenschaft nach dem Zweiten Weltkrieg profitieren, da viele Physiker, die in der Kriegsarbeit beschäftigt waren, sich den harmloseren biologischen Problemen zuwandten. Unter ihnen war Maurice Wilkins, der sowohl am Radar als auch am Manhattan-Projekt zum Bau einer Atombombe gearbeitet hatte.
Mitte 1950 war Wilkins stellvertretender Direktor der neuen Abteilung für Biophysik am King’s College London. In einem feuchten Keller unter der Themse produzierten Wilkins und der Doktorand Raymond Gosling viel schärfere Röntgenbilder der DNA, als Astbury es geschafft hatte.
Rosalind Franklin wurde 1951 eingeladen, sich der DNA-Forschung der Einheit anzuschließen, und brachte ihre wichtigen kristallographischen Fähigkeiten mit, nachdem sie sich in Paris mit Röntgeneinblicken in die Strukturen von Kohle, Kohlenstoff und Graphit einen Namen gemacht hatte. Aber Missverständnisse mit Wilkins über ihre Rolle in der DNA-Forschung verursachten einen Riss, der sie wohl das wissenschaftliche Rennen kostete.
Eine der größten Entdeckungen, die Franklin in ihrer Zeit bei King’s machte, war die Entdeckung, zusammen mit Gosling, dass es zwei Formen von DNA gibt:eine dehydrierte, dicht gepackte „A“-Form und eine hydratisierte, längere „B“-Form, die unterschiedliche Ergebnisse lieferten Röntgenmuster. Astburys verschwommene Bilder müssen eine Kombination aus beidem gewesen sein.
Die King’s Group und insbesondere Franklin glaubten, dass die Struktur aus sorgfältiger Röntgenarbeit hervorgehen würde. Aber am Cavendish Laboratory in Cambridge, das jetzt von William Lawrence Bragg geleitet wird, hatte ein Forscherpaar namens James Watson und Francis Crick andere Ideen.
Foto 51:Der Schlüssel zum Puzzle
Watson, ein amerikanischer Forscher in den Zwanzigern, der seinen Doktortitel in einem ungewöhnlich jungen Alter erworben hatte, und der ältere Crick, der für seinen scharfen Verstand bekannt ist, taten bekanntermaßen wenig in Bezug auf Experimente mit DNA. Stattdessen entschieden sie sich dafür, physische Modelle zu bauen, um herauszufinden, wie die bekannten DNA-Komponenten zusammenpassen könnten. Ein Großteil ihres experimentellen Wissens stammte aus Seminaren und informellen Gesprächen mit Wilkins, mit dem sie befreundet waren.
Ende 1951 luden Watson und Crick das Team des Königs ein, ihr neuestes Modell zu sehen, von dem sie glaubten, dass es die Struktur sei. Informiert durch Watsons Erinnerung an einen Vortrag von Franklin bestand es aus drei DNA-Ketten mit dem Zucker-Phosphat-Rückgrat innen und den Basen außen. Franklin wusste sofort, dass es falsch war – der Wassergehalt der DNA bedeutete, dass das Rückgrat außen liegen musste. Verlegen verbot Bragg dem Paar weitere DNA-Arbeiten.
Im Mai 1952 nahm Franklin Foto 51 auf – ein erstaunlich klares Bild der B-Form der DNA. Sie hielt sich an eine frühere Vereinbarung mit Wilkins, sich auf das A-Formular zu konzentrieren, und legte es beiseite.
Bis Januar 1953 hatte Franklin beschlossen, King’s für das Birkbeck College zu verlassen und begann, ihre Arbeit mit Wilkins zu teilen. Wilkins, der lange geglaubt hatte, DNA sei eine Helix, zeigte das Bild Watson, der später schrieb:„Sobald ich das Bild sah, fiel mein Mund auf und mein Puls begann zu rasen.“
Foto 51 buchstabierte sofort „Helix“ für Watson, und er kehrte inspiriert nach Cambridge zurück.
Im Februar 1953 schlug Linus Pauling, ein Gigant der Molekularbiologie mit Expertise in der Proteinstruktur, seine eigene Struktur vor. Aber mit nur Astburys früheren Daten, um weiterzumachen, hat er sich geirrt. Neben anderen grundlegenden Fehlern schlug er vor, dass die DNA aus drei Ketten bestehe.
Watson und Crick, die befürchteten, dass Großbritannien das Rennen verlieren würde, und eine Chance für sich selbst sahen, kehrten zu ihrem Modellbau zurück. Sie wussten, wie weit die Basen voneinander entfernt waren, dass sich das Rückgrat der DNA auf der Außenseite des Moleküls befand, dass die Gesamtstruktur eine Helix war und wahrscheinlich aus zwei Ketten bestand.
Sie sahen auch mehr von Franklins Daten, diesmal über einen Bericht an das Biophysik-Komitee des Medical Research Council, das beide Gruppen finanzierte. Daraus konnte Crick ableiten, dass die Ketten im DNA-Molekül umgekehrt gleich aussehen und daher in entgegengesetzte Richtungen verlaufen müssen.
Das letzte Stück des Puzzles war ein Experiment von Erwin Chargaff aus dem Jahr 1949, der das Cavendish-Team 1952 besucht hatte. Er stellte fest, dass die Anzahl der As mit der Anzahl der Ts übereinstimmte und dass die Anzahl der Cs mit den Gs übereinstimmte. Watson und Crick erkannten, dass As immer an Ts und Cs an Gs binden muss, wodurch eine leiterartige Helix entsteht, bei der die gepaarten Basen die Sprossen und das Zucker-Phosphat-Rückgrat die Seiten bilden.
Als das Modell fertig war, gingen die beiden zum Mittagessen in einen nahe gelegenen Pub namens The Eagle und erklärten, dass sie den Sinn des Lebens gefunden hätten. Als das Team des Königs dieses Mal zu Besuch kam, akzeptierten sie das Modell sofort. „Rosys sofortige Akzeptanz unseres Modells erstaunte mich zuerst“, schrieb Watson später. „Trotzdem… akzeptierte sie die Tatsache, dass die Struktur zu hübsch war, um nicht wahr zu sein.“
Die Struktur von Crick und Watson wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht im April 1953, zusammen mit zwei Artikeln von King’s. Keiner enthüllte die Rolle, die Kings Daten gespielt hatten, und Franklin starb 1958, vielleicht ohne es zu wissen. Watson, Crick und Wilkins teilten sich 1962 den Nobelpreis.
Mit zweifelsohne wissendem Understatement schrieben Watson und Crick in ihrer Arbeit von 1953:„Es ist uns nicht entgangen, dass die spezifische Paarung, die wir postuliert haben, sofort auf einen möglichen Kopiermechanismus für das genetische Material hindeutet.“
In den Jahren seit 1953 haben Forscher gelernt, wie DNA sich selbst kopiert und wie ihre As-, Ts-, Cs- und Gs-Strings eine Vorlage für die Herstellung von Proteinen liefern. In jüngerer Zeit hat die Analyse des menschlichen Genoms es Wissenschaftlern ermöglicht, einen Einblick in die Feinheiten zu erhalten, wie die DNA das Leben orchestriert.