Klucz do DNA ebook

Klucz do DNA

Copyright © 2012 by Tadeusz Meszko

All Rights Reserved

ISBN 978-83-935842-1-5

Projekt okładki, ilustracje i skład Tadeusz Meszko

Wydanie I

Wydawca:

Tadeusz Meszko

85-634 Bydgoszcz, ul. Sułkowskiego 17/50

http://tadmeszko.com, mail: [email protected]

Zamiast wstępu

Jak działa jamniczek

Na początek chciałbym wyjaśnić jedną sprawę. Nie jest moim celem opisanie chemiczno-fizycznych aspektów skręconej w podwójnej spirali nici nukleotydów.

Genetyka molekularna coraz dokładniej opisuje formy przestrzenne tworzone przez łańcuch nukleotydów w czasie różnych etapów odczytywania kodu życia. Nić DNA potrafi zbudować konstrukcje, obrazowo opisywane jako: zamki błyskawiczne, zawleczki, spinki, liście, lassa. I w tych obiektach próbuje odnaleźć odpowiedź na pytanie, jak zbudowane są organizmy żywe. Tylko że to bardziej wyjaśnienie, jak zbudowana jest prosta elektryczna mechaniczna stukawka-pukawka lub pimbdziałura dyfuzyjna, a nie jak działa jamniczek[1]? A my chcemy przyjrzeć się jamniczkowi nie w celu podejrzenia budowy elementów konstrukcyjnych: policzenia kręgów ogona, wykreślenia trajektorii jego wychylenia; a z chęci poznania zależności, sprawiających, że jamniczek raz macha ogonem z zadowolenia, a innym razem podkula go w lęku.

Tak więc, o ile w książce znajdą się opisy fizycznych aspektów helisy, to jedynie w stopniu niezbędnym do zrozumienia określonych zachowań. Jak również do wykazania, że te złożone struktury można opisać prostymi słowami języka DNA. Celem książki jest właśnie zrozumienie tego języka – a do tego nie jest istotne, czy kod genetyczny przekazywany jest pismem, głosem, czy poprzez reakcje chemiczne, których efektem są inne związki chemiczne.

Podejrzewam, że podobne spojrzenie może wzbudzić niepokój oraz niechęć nie tylko biologów czy genetyków, przywiązanych do myślenia, że skoro świat materialny zbudowany jest z atomów, to tylko poprzez opisanie ich zachowania, można zrozumieć wynik działania kodu genetycznego.

Przyznam, że ja sam gubiłem się często, przytłoczony fizycznością opisów i zapominałem, aby patrzeć na nukleotydy jak na przekaz treści, dla której obojętny jest nośnik, a istotny jedynie sens przekazu. Zagłębiając się w naukowe wywody, rodziło się we mnie zwątpienie: a może kod genetyczny to jednak tylko zbiór chemicznych reguł, prowadzących od scalenia jednego związku chemicznego do następnego – wchodzących w związki z kolejnymi, aż powstaje życie takie, jakie znamy z codziennych uciech i boleści ciała. Ale w chwilę później rodził się bunt: to wszystko prawda, lecz chcąc zrozumieć zależności naszej fizyczności i psychiki od informacji ukrytych w kodzie genetycznym, trzeba na niego spojrzeć jak na język. A tutaj czeka na nas przykra niespodzianka. Mimo że potrafimy genetycznie modyfikować żywność, klonować zwierzęta, to wciąż nie rozumiemy języka genów. Odczytujemy jedynie fragmenty kodu, bardziej się domyślając niż wiedząc, co jest pomiędzy poznanymi słowami. Znany fizyk i popularyzator nauki Paul Davis, badający gramatykę kodu genetycznego, powiedział: „Brakuje nam klucza do zrozumienia tego języka. Kiedy go znajdziemy, będziemy mogli odczytywać wiadomości, jakie mają dla nas geny[2]”.

Ta właśnie chęć odczytania przekazu ukrytego w nici nukleotydów, jest głównym przesłaniem książki.

Przypisy:

A

Tradycyjne spojrzenie

Dział I: Trochę historii

Co wiemy o genetyce w półtora wieku po ogłoszeniu teorii ewolucji? Małpy Darwina, groch Mendla, podwójna helisa i samolubny gen – to pierwsze skojarzenia.

Karol Darwin w 1831 roku, w wieku 52 lat na pokładzie HMS Beagl wybrał się w niemal pięcioletnią podróż dookoła świata, a obserwacje z wyprawy pozwoliły mu w 23 lata dokończyć pracę nad książką O powstawaniu gatunków. Grzegorz Mendel, zakonnik z Brna, w połowie XIX wieku, zajmował się badaniami nad dziedziczeniem cech grochu zwyczajnego. James D. Watson i Francis H. C. Crick w 1953 roku zaproponowali model struktury kwasu deoksyrybonukleinowego DNA w postaci podwójnej helisy. Richard Dawkins w 1976 roku, w książce Samolubny gen, przedstawił koncepcję ewolucji, w której jednostką doboru naturalnego jest egoistyczny gen. Te osoby oraz ich dzieła można użyć jako przykładów określających podział genetyki na: ewolucyjną, klasyczną i molekularną. Książkę Dawkinsa można natomiast określić filozofią genetyki.

Zrozumienie praw genetyki nie tylko obdziera podstawy naszej egzystencji z osłony boskości, sprowadzając genetykę do laboratoriów naukowych, to jeszcze wprowadza ją w strefę codzienności. Takie zagadnienia, jak kolor oczu i włosów, choroba raka, otyłość, ale i modyfikowana żywność, stały się tematem rozmów ludzi niezwiązanych z nauką. Niemal co tydzień słyszymy, że genetycy wyodrębnili gen odpowiedzialny za kolejne schorzenie. Dla wielu chorych budzi się nadzieja, że nękający ich ból zostanie uśmierzony, a wywołujący schorzenie błąd genetyczny naprawiony i ich dzieci nie urodzą się skazane na cierpienie.Ale z drugiej strony jesteśmy straszeni zmianami wywołanymi jedzeniem genetycznie zmodyfikowanych roślin.

Jedno jest pewne: genetyka weszła do naszego życia nie tylko przez drzwi gabinetu lekarskiego, lecz również przez drzwi sypialni czy kuchni. Jednak pomimo olbrzymich postępów naukowych, badania te bardziej przypominają mieszanie przypadkowych składników w pracowni alchemicznej, niż świadome poszukiwanie. Bowiem zgodziliśmy się na panowanie genetyki w naszym życiu, wciąż nie rozumiejąc języka DNA.

1. Małpy Darwina

Debata wyznawców ewolucjonizmu ze zwolennikami kreacjonizmu toczy się od chwili narodzin teorii Darwina, przedmiot sporu stał się tematem encyklik papieskich, a o  prawdziwości argumentów rozstrzygał nawet sąd.

Zaczęło się od tego, że w 1925 roku lokalne władze szkolne w trzech stanach Południa – Tennessee, Arkansas i Missisipi – nazwanych przez dziennikarza relacjonującego proces sądowy Henry’ego Louisa Menckenena pasem biblijnym, zabroniły nauczania w szkołach publicznych teorii sprzecznej z naukami Biblii, zrównującej człowieka z innymi zwierzętami. Ale młody nauczyciel John T. Scopes nie zastosował się do wyroku. Spektakularna odmowa podporządkowania się temu wyrokowi doprowadziła do wniesienia sprawy przeciwko niemu na wokandę sądu. Rozpoczął się głośny w całym kraj małpi proces. Młody nauczyciel go przegrał i musiał zapłacić grzywnę w wysokości 100 dolarów.

Jednak w dwa lata później, na podstawie wykazania błędów proceduralnych, sąd apelacyjny w Nashville uchylił ten wyrok. Dalsze próby wprowadzenia kreacjonizmu do programów nauczania się nie powiodły, sądy federalne reprezentowały stanowisko, że kreacjonizm nie jest teorią naukową, a jedynie doktryną religijną, i jako taki nie może być głoszony w szkołach publicznych, gdyż byłoby to pogwałceniem Pierwszej Poprawki do Konstytucji Stanów Zjednoczonych. Nie zmieniła to jednak faktu, że do dzisiaj w USA teoria ewolucji ma najmniejszą liczbę zwolenników, sięgając ledwo 40%.

Po 35 latach sprawa procesu ożyła na srebrnym ekranie w filmie Kto sieje wiatr, w reżyserii Stanleya Kramera i w gwiazdorskiej obsadzie ze Spencerem Tracy i Geneem Kellym, a jeszcze dzisiaj na stronach kreacjonistów można przeczytać opinię, że „Darwinizm miał niewiele wartości dla rozwoju biologii. Jego oczekiwania co do złożoności życia i łatwości wielkich przemian biologicznych całkowicie zawiodły”[3].

Teorii ewolucji zaprzeczają nie tylko zwolennicy kreacjonizmu. Również inny odłam pragnących głęboko wierzyć, uważa, że istoty ludzkie są równie stare jak Wszechświat – i zarówno gwiazdy, jak i człowiek, zostali stworzeni jednocześnie. Robert Charroux, propagator teorii paleoastronautyki, sugeruje, że pierwsi ludzie na pewno byli istotami pozaziemskimi, zrodzonymi na innej planecie, gdyż Ziemi jeszcze nie było. Do wyjaśnienia podobnego poglądu używa argumentów: „byłoby niezrozumne wierzyć, że proces ewolucji toczył się w niezmierzonych okresach bez człowieka, by dostrzec ten przywilej na ostatni maleńki milion lat (sekunda w skali czasu). Takie rozumienie byłoby arbitralne i dawałoby naszemu rodzajowi ludzkiemu znaczenie, z którym nie zgadza się rozsądek”. Co ciekawe, z dalszymi słowami autora Księgi jego Ksiąg już się zgadzam: „Wiemy dobrze, że jesteśmy tylko maleńkim kółeczkiem wielkiej mechaniki Wszechświata, a nie głównym elementem ani jej celem. Lecz tylko z tym zdaniem, bo dalej autor pisze że byłoby niewybaczalną zbrodnią, gdybyśmy – jak to czynią prehistorycy – arbitralnie nauczali, iż człowiek pochodzi od małpy”[4].

No cóż, biedny Darwin wciąż jest atakowany z każdej strony. A zawsze wydawało mi się, że ludzie – a zwłaszcza dzieci – bardzo lubią małpki. Wszak to ulubione, poza misiami i słonikami, maskotki.

Mark Henderson, autor znakomitego przewodnika po rozwoju myślenia o genetyce, w 50 teoriach genetyki napisał: „To jest tak jak z teorią grawitacji – nie jest to idea, którą możemy przyjąć lub nie, ale najlepsze obecnie dostępne wyjaśnienie obserwowanego zestawu faktów”[5]. Podobnie do problemu podszedł Richard Dawkins w książce Ślepy zegarmistrz, stwierdzając w przedmowie, że teoria ewolucji to jedyna uznana teoria, która wyjaśnia rozwój życia. Kwestionowanie teorii ewolucji to zaprzeczenie całości wiedzy o biologii, wspartej dowodami paleontologicznymi, anatomicznymi, i najnowszymi badaniami fizyki molekularnej.

Jeszcze długo przed Darwinem, w 1902 roku teolog William Paley założył, że za złożonością form życia musi stać stwórca, tak jak znaleziony na wrzosowisku zegarek musiał zostać złożony w przemyślany i konsekwentny sposób przez zegarmistrza. We wspomnianej książce Dawkins zauważa, że w wypadku ewolucji zegarmistrz działał w sposób nieprzemyślany i przypadkowy. Pozostawmy więc kreacjonizm fundamentalistom i ciągnijmy nasze rozważania, pozwalając im żyć w świecie mitów i spróbujmy poznać mechanizm zegarka, ktokolwiek by go nie zgubił na wrzosowisku.

1.01. Tempo ewolucji

Mała rybka ciernik pomogła nam zrozumieć, jak szybkie może być tempo ewolucji. Opanowanie środowiska wód słodkich zajęło jej 20 tysięcy lat. Ciernik morski jest mniejszy, a w miejscu płetw dolnych ma kolce po obu stronach ciała – którego nie mają większe cierniki żyjące w wodach słodkich. Morfologicznie za zmianę jest odpowiedzialny gen Pitx1. Do budowy pancerza, rybom potrzebne są jony pierwiastków, brakujących w słodkich wodach. Nie mogąc wytworzyć koców po obydwu stronach ciała, rybki słodkowodne wykorzystują wolną energię do zwiększenia masy ciała.

A jak szybko zachodzą te epigenetyczne mutacje? Otóż naukowcy z University of British Columbia przenosząc rybki morskie do zbiorników ze słodką wodą, zaobserwowali, że już w następnym pokoleniu większość narybku wybrała ten wariant.

Natomiast zespół Jose Luisa Martineza z Centro Nacional de Biotecnologia oraz Alfonso Navas z Museo Nacional de Ciencias Naturales w Madrycie[6], chcąc dowiedzieć się, jak szybko chorobotwórcze bakterie Pseudomonas aeruginosa[7] zabiją nicienie Caenorhabditis elegans, natrafili na niespodziankę. W jednej ze 152 szalek nicienie przeżyły. Okupiły to mniejszą ruchliwością, ale w odróżnieniu od szybko poruszających się krewniaków uodporniły się na zabójcze ataki bakterii.

Przez następnych 6 lat Alfonso Navas wyhodował tysiące dalszych mutantów, u których znaleziono różnice w siedmiu genach. Te zmiany można zinterpretować jako powstanie nowego gatunku, bowiem u innych nicieni podobne różnice kodu genetycznego są wystarczającym powodem do wyodrębnienia jako osobnego gatunku. Gatunek Caenorhabditis navas nie został jeszcze zarejestrowany, ale ten przykład wskazuje, że ewolucja to nie fantastyka.

Przypisy:

2. Groch Mendla

Morawski mnich, nie wiedząc o tym, że Karol Darwin rozpoczął pracę nad teorią ewolucji, w ciszy klasztoru w Brnie zajął się hodowlą grochu siewnego (Pisum sativum). W latach 1856-63 przetestował 28.000 roślin, badając 7 cech, z których każda miała dwie łatwo zauważalne formy. Ciekawe, czy dla zakonnych braci w czasie jego badań grochówka stała się daniem głównym? Tego nie wiem, ale faktem jest, że jego fascynacja groszkiem doprowadziła do zrozumienia dziedziczności cech. A sformułowane trzy prawa Mendla, pomimo iż żadne z nich nie jest w pełni poprawne[8], stały się fundamentem genetyki.

• Pierwsze prawo mówi o tym, że geny w komórkach posiadają swoje warianty (alllele), po jednym od każdego z rodziców.

• Drugie zauważa, że te cechy mogą być dziedziczone niezależnie od siebie, czyli dwa geny wystarczą, abyśmy mieli w potomstwie cztery ich krzyżówki (A1+B1, A1+B2, A2+B1, A2+B2).

• Trzecie dodaje, że dziedziczenie wariantów nie odbywa się na zasadzie mieszania wariantów (czarny plus biały nie staje się szarym), a zawsze zostaje wybrany jeden z nich – stając się dominującym (widocznym), podczas gdy drugi, recesywny, nie bierze udziału w przekazaniu cech (pozostaje niewidoczny, uśpiony).

To prawda, że dzięki groszkowi odkryto wiele praw dziedziczenia cech genetycznych po rodzicach, chociaż czasem napotykano na odstępstwa, których przez wiele lat nie potrafiono wyjaśnić[9].

2.01. Żywność genetycznie modyfikowana

Przy okazji pasji Mendla nie sposób nie wspomnieć o modyfikowanej genetycznie roślinności czy zwierzętach GMO[10] – czyli organizmy, w których zmieniono aktywność istniejącego genu lub wprowadzono nowy gen.

Tak jakby człowiek nie robił tego od tysięcy lat, wybierając korzystnych dla jego celów reprezentantów roślinnych i zwierzęcych do dalszego rozrodu – czyli naruszając naturalny proces ewolucji. Z tym że naturalne modyfikacje nie musiały być korzystne dla ludzi – wszak miały na celu dobro własnego gatunku, a nie spełnienie oczekiwań rolnika czy hodowcy. Dzisiejsze modyfikacje genetyczne są tym samym. Możliwości przeprowadzanych prób i wybór tych korzystnych jest jedynie przyśpieszony. Nie trzeba już epok geologicznych, stuleci, a jedynie lat.

Od 25 lat na rynku w sprzedaży są pomidory odmiany Flavr Savr – pierwszy genetycznie zmodyfikowany produkt. Dzisiaj 4% światowego areału to uprawy transgeniczne, w kolejności zasiewu: soja (60%), kukurydza (23%), dalej bawełna, rzepak, ryż i ziemniaki. Najwięcej powierzchni upraw znajduje się w Stanach Zjednoczonych (59%) oraz Argentynie (20%), później Kanadzie, Brazylii, Chinach (po 5-6%)[11]. Europa, która potrafiła zburzyć żelazny mur, teraz buduje mur genetyczny, nie dopuszczając sprzedaży i produkcji tych roślin. Podejrzewam, że większy udział ma tutaj kalkulacja finansowa (nadprodukcja żywności, której nie ma gdzie sprzedać) niż rzeczywiste obawy.

Dodawanie do modyfikowanej roślinności genów odpornościowych, których toksyczne białka odkładają się w organizmie, zwiększając podatność na alergie, jest jednym z argumentów przeciwników GMO. To może być prawda. Z tym, że większość ludzi żyje w klimatyzowanych (sterylnych) pomieszczeniach, mając kontakt z żywnością – o ile nawet po zerwaniu naturalną, to w procesach technologicznych mycia, pasteryzacji i innych zabiegów przeprowadzanych przed ich trafieniem do sklepów – już i tak pozbawioną mechanizmów obronnych, stając się alergikami na niemal wszystkie rośliny. Oczywiście, konieczne jest sprawdzenie skutków spożywania modyfikowanej żywności w wielu pokoleniach. Ale bez przesady, wystarczy kilka – więcej niż dwa, ze względu na efekt dziadka[12], czyli dziedziczenia cech w trzecim pokoleniu – miotów szczurów czy świń. I tak się dzieje. Produkty genetycznie zmodyfikowane są lepiej przebadane pod kątem wpływu na zdrowie i środowisko, niż produkty wytwarzane w sposób tradycyjny.

Mój niepokój mogą budzić jedynie przypadki, gdy organizmy tuczone zmodyfikowaną żywnością nie są zdolne do rozmnażania. Gdyż wtedy zachodzi podejrzenie, że mutacje naruszyły ważne funkcje organizmu. Chociaż tak być wcale nie musi; muły[13] to pożyteczne, silne i pracowite zwierzęta – i mimo niespodziewanych przejawów uporu – trudno im cokolwiek zarzucić.

Zgadzając się z dokonywaniem genetycznych zmian, nie posunąłbym się jednak tak daleko żeby uważać, że są one pozbawione szkodliwych dla zdrowia zanieczyszczeń chemicznych, typowych dla upraw wyhodowanych w sposób tradycyjny – wchłaniających pestycydy czy herbicydy z opryskiwanych środkami ochronnymi gleb.

2.02. Konsekwencje spożywania grochu

Pożywny groszek Mendla ustawił na długie lata spojrzenie na genetykę, widzącą w genach jedynie producenta białek. Wiele miejsca w książce poświęciłem wykazaniu, że proces dziedziczenia jest o wiele bardziej skomplikowany i chcąc poznać genetyczną matrycę naszego ciała i duszy, musimy zapomnieć o prostym mieszaniu genów.

Apeluję, aby zapomnieć o groszku! Przynajmniej czytając tę książkę.

Przypisy:

3. Podwójna helisa

Piękna figura geometryczna, przedstawiana jako skręcona drabina, rzeczywiście stała się pomocna do zrozumienia genetyki. Model podwójnej helisy obrazowo przedstawiał, w jaki sposób cząsteczki kwasu nukleinowego łączą się w nić informacji genetycznej.

3.01. Era pipety i mikroskopu

Strukturę chromosomów w jądrze komórkowym zauważono prawie 20 lat przed opublikowaniem książki O powstawaniu gatunków Karola Darwina, lecz nie potrafiono odpowiedzieć co one tam robią. W 1842 roku szwajcarski botanik (jeszcze nie biolog, tym bardziej genetyk) Karl Wilhelm von Nägeli w komórkach roślinnych, a w 1846 roku belgijski naukowiec Edward Van Beneden w komórkach robaków, zauważyli, że po zabarwieniu komórek można w nich dostrzec kolorowe ciała – skąd nazwa chromosom[14]. Ale dopiero w 1902 roku, niezależnie od siebie, dwaj naukowcy – niemiecki biolog Theodor Boveri i amerykański genetyk Walter Sutton, wysunęli hipotezę, że chromosomy mogą zawierać materiał genetyczny. Ale znów musiało minąć kilka lat, by inny biolog – Thomas Hunt Morgan, sceptycznie nastawiony do teorii Darwina, a nawet Mendla, prowadzący badania nad czarnobrzuszną miłośniczką rosy, czyli dokuczliwą dla nas muszką owocową (Drosophila melanogaste), udowodnił, że tak naprawdę jest. W 1915 roku sformułował chromosomową teoria dziedziczności, potwierdzając prawidłowość tez zakonnika od grochu.

To był początek naukowego poznania, lecz wciąż pozostawano na etapie mieszania groszku.

3.02. Genetyczna strefa 51

Na początku lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku zgromadzono już tyle faktów na temat DNA, że zrozumienie było bardzo bliskie. Linus Pauling w USA oraz Francis Crick i James Watson w Wielkiej Brytanii, niczym detektyw Philip Marlowe za oceanem oraz Sherlock Holmes i doktor John H. Watson na Starym Kontynencie niezależnie prowadzili śledztwo nad modelem struktury nici DNA.

Od 1869 roku, dzięki badaniom niemieckiego chemika Friedricha Mieschera, wiedziano, że w jądrach komórkowych znajduje się związek chemiczny, nazwany później kwasem deoksyrybonukleinowym[15]. Odkrywca DNA podejrzewał, że ten kwas przenosi informację genetyczną, lecz udowodnienie, że tak jest naprawdę, zajęło nauce... pięćdziesiąt lat. Frederic Griffith dokonał tego w 1928 roku, prowadząc eksperymenty z bakterią wywołującą zapalenie płuc. Trzeba było dalszych piętnastu lat badań, by troje amerykańskich biologów – Oswald Avery, Maclyn McCarty oraz Colin MacLeod – potwierdzili eksperymenty Griffitha. Uporali się z tym w 1944 roku, po dziesięcioletnim maltretowaniu 90 litrów bakterii różnymi enzymami, w poszukiwaniu związku chemicznego odpowiedzialnego za przekazywanie śmiertelnej informacji. Zrozumieli, że to DNA było przekaźnikiem. A gdy w 1950 Erwin Chargraff zauważył, że stosunek par zasadowych tego kwasu jest zawsze identyczny –co nasunęło mu myśl, że łączą się one w pary – można było zacząć zastanawiać się, jaką strukturę ma nić DNA.

Pierwszy objął prowadzenie Linus Pauling. Ale popełnił niewielki błąd. Słusznie uważał, że nić DNA jest zwinięta w spiralę, lecz zasugerował, że jest to potrójna spirala. I nie wiadomo, na jak długo struktura DNA pozostałaby wciąż nieznana, gdyby nie rentgenowskie zdjęcie 51. Fotografię wykonano w laboratorium King’s College w Londynie, gdzie Rosalind Elsie Franklin prowadziła badania nad kwasem deoksyrybonukleinowym za pomocą rentgenografii strukturalnej. Amerykański biolog miał pecha. Stał się ofiarą makkartyzmu. Oskarżono go o sympatie komunistyczne i odebrano paszport. Musiał zrezygnować z planowanej podróży do Wielkiej Brytanii i nie zobaczył zdjęcia 51.

Crick i Watson mieli więcej szczęścia. Współpracownik uczonej – Maurice Wilkins – bez jej wiedzy pokazał im rentgenogram, który ujawniał strukturę pasującą do ich modeli budowanych z kartonu. Uzyskali potwierdzenie, że podwójna helisa nie jest dziecięcą zabawką.

Historia odkryć pokazanych na przykładzie choćby tych kilku przypadków wskazuje, jak bardzo zrozumienie jest powiązane z postępami nauki, napędzając się wzajemnie. Czasem teoria wyprzedzała fakty, pozostając jedynie hipotezami; równie często faktów nie umiano zinterpretować.

Przypisy:

4. Samolubny gen

Teorię samolubnego genu poznałem mając 19 lat i muszę przyznać, że wycisnęła piętno na mojej świadomości. Jednak dzisiaj jej wartość bardziej doceniam za otwartość spojrzenia, zauważenie roli genów – widzianych nie jedynie poprzez białka, a wpływających na psychikę organizmów – niż za wskazanie rzeczywistych celów bytu. W tej chwili przedstawię jedynie podstawowe założenia Dawkinsa – a do oceny ich trafności powrócimy w dalszej części książki[16].

Prekursorem myśli Richarda Dawkinsa był amerykański biolog George Christopher Williams[17], który uważał, że to osobnik stanowi jednostkę doboru naturalnego – hipotezę polemizującą z uznaną teorii doboru grupowego. Dobór naturalny, czyli właściwie selekcja naturalna, jest podstawową tezą teorii Darwina, widzącą w ewolucji mechanizm adaptacji osobników do środowiska. Z poziomu genów wygląda to tak, że geny korzystne dla populacji mają większą szansę replikacji, gdyż organizm ich nosiciela jest lepiej przygotowany do zmiennych warunków. Tutaj ważniejszy jest interes jednostki niż grupy. Natomiast hipoteza doboru grupowego – propagowana przez angielskiego zoologa Vero Copnera Wynne-Edwards’a – głosi, że jednostki altruistyczne mają większe szanse przetrwania niż jednostki egoistyczne. Określenie jednostka może dotyczyć zarówno całego organizmu, komórek jak i pojedynczych genów. Przykładem doboru grupowego jest porównanie do komórek organizmu wielokomórkowego, które działając na korzyść organizmu, same nie powielają się, ustępując pola do rozrodu innym komórkom. W tym wypadku ważniejsze są interesy grupy niż jednostki.

Tak więc spór właściwie dotyczy dylematu, co jest ważniejsze: jednostka czy grupa. Ale implikacje stworzone przez autora Samolubnego genu sięgają dalej. Bowiem Dawkins uważa, że ewolucja nie wypracowała strategii broniącej pojedynczego organizmu, nie wspominając już o gatunkach, a jedynie dba o interesy... genów. To gen pilnuje, aby osobnik, w którym żyje powielił się, przenosząc informację o jego budowie do następnych kopii. Osiąga to, nie zawsze postępując w zgodzie z dobrem nosiciela. Gdyż, według autora, gen to: „dowolna część materiału chromosomalnego, która może trwać wystarczająco wiele pokoleń po to, by stać się jednostką doboru naturalnego”[18]. Natomiast do określenia organizmu używa pojęcia maszyny przetrwalnikowej, którą widzi jako „samolubną maszynę, zaprogramowaną, by działa możliwie jak najlepiej dla dobra wszystkich swoich genów”[19]. Co ciekawe, Dawkins nie odrzucił altruizmu z doboru grupowego, chociaż uzasadnił podobne zachowania egoistycznymi celami samego genu.

Nim zmierzymy się z oceną teorii Dawkinsa, poznajmy najpierw podstawy współczesnej genetyki. W tej chwili zapamiętajmy tych kilka tez, mając na uwadze, że rozważania Dawkinsa nie tylko odniosły sukces komercyjny, ale także znalazły uznanie wielu biologów.

Przypisy:

5. Podsumowanie

Tak więc groszkiem nie będziemy się zajmować. Spróbujemy natomiast rozprostować skręconą helisę DNA, aby odczytać treść ukrytą w każdym jej najmniejszym fragmencie, a zwłaszcza w tych pomijanych, pogardliwie nazywanych śmieciowym DNA.

Tabela 01. Krótka historia genetyki od Darwina do Dawkinsa

Data

Wydarzenie

1831

Karol Darwin zaczyna zbierać materiały do swojej pracy o teorii ewolucji

1849

niemiecki biolog Theodor Boveri i amerykański genetyk Walter Sutton zauważyli w jądrach komórkowych struktury, które zostają nazwane chromosomami

1865

Grzegorz Mendel prezentuje prawa dziedziczenia

1896

Fredrich Miescher odkrywa DNA

1909

duński botanik Wilhelm Johannsen definiuje pojęcie gen

1902

Theodor Boveri i William Sutton sugerują, że chromosomy zawierają materiał genetyczny

1913

T.H. Morgan i Alfred Sturtevant opisują crossing-over i składają mapę genetyczną

1927

Hermann Muller sugeruje, że materiałem genetycznym można manipulować wywołując mutacje

1941

George Beadle i Edward Tatum stwierdzają, że jeden gen odpowiada za utworzenie jednego białka

1944

Oswald Avery, Maclyn McCarty i Colin MacLeod wykazują, że DNA zawiera informację genetyczną

1950

Erwin Chargraff zauważa, że stosunek zasad adyniny i tyminy oraz cytozyny i guanimy jest zawsze identyczny, co nasuwa mu myśl, że zasady są spięte w pary

1951

Linus Pauling proponuje potrójną helisę jako strukturę DNA

1952

Rosalind Franklin zauważa, że na rentgenowskich zdjęciach DNA widać tylko podwójną helisę

1953

James Watson, Francis Crick i Maurice Wilkins opisują strukturę DNA – podwójną helisę, za co zgarniają nagrodę Nobla

1958

Francis Crick proponuje trójkowy system kodowania DNA

lata 60.

Werner Arber odkrywa enzymy restrykcyjne – umożliwiających rozwój technik rekombinacji DNA

1961

Marshall Niremberg odkrywa pierwszy tryplet (kodon) aminokwasu

1966

zidentyfikowano komplet (64) aminokwasów

1972

Walter Fiers ustala pierwszą sekwencję genu

1976

Richard Dawkins publikuje książkę Samolubny gen

Dział II: Podstawy kodu życia

Przegląd zagadnień genetyki rozpoczniemy od najmniejszych elementów, przechodząc do coraz bardziej złożonych, chociaż tak właściwe powinniśmy podążyć w odwrotnym kierunku. Genetycy formułowali prawa genetyki zauważając najpierw te największe struktury, dopiero później odkrywając te najmniejsze. Stąd może takie zamieszanie w nazewnictwie...

1. Rozkręcanie podwójnej spirali

Już na początku rozszyfrowania alfabetu kodu życia napotykamy pierwszą zagadkę. Na całą różnorodność organizmów żywych mają wpływ tylko cztery rodzaje liter – zasad azotowych, zwanych nukleotydami. Zastanówmy się dlaczego tak jest.

1.01. Zasady azotowe

Aby stać się stabilnym przekaźnikiem informacji genetycznej, jak ogniwa łańcucha lub każda z cegiełek w murze, nić DNA musi spełniać kilka warunków:

• musi wykorzystywać łatwo dostępny materiał,

• musi być prosta w budowie,

• musi być wytrzymała – elastyczna, a jednocześnie mało podatna na rozerwanie,

• musi być mało podatna na zmiany wewnętrznej struktury, zachowując kolejność wiązań przenoszących informację,

• musi mieć zdefiniowany kierunek odczytywania informacji genetycznej,

• musi zapewniać łatwy dostęp innym, przyłącznym cząstkom.

Wszystkie te warunki wypełnia kwas deoksyrybonukleinowy, a nazwa DNA pochodzi od skrótu tej trudnej do wymówienia nazwy. Kwas ten składa się z węglowodanów (czyli cukrów) i fosforanów (budujących jego strukturę wiązaniami fosfodiestrowymi) oraz zasad azotowych, kodujących informację genetyczną. Można powiedzieć, że to opakowanie i zawartość.

Grafika 1. Schemat połączenia cukru z grupą fosforową

Główne składniki zasad azotowych – będących cegiełkami kodu życia – to: tlen, wodór oraz azot i węgiel. Jeżeli spojrzymy na skład obecnej atmosfery naszej planety, to okaże się, że budują ją dwa z nich: azot to 78,084% objętości powietrza, a tlen 20,946%. Tylko, że w powietrzu wodoru jest mniej niż 1%. Jednakże tlen i wodór to również główne składniki wody, źródłem azotu jest azot z atmosfery[20], a węgla dwutlenek węgla. To krótkie śledztwo prowadzi nas do wniosku, że miejscem powstania życia była woda. Tak więc pierwszy warunek został spełniony – woda (co prawda słona) zajmuje na naszej planecie większą część powierzchni.

Dwie dwuperścieniowe zasady, które nazwano purynami, są strukturami większymi. To adenina i guanina. Dwie mniejsze, jednopierścieniowe zasady nazwano pirymidynami. Są to cytozyna i tymina. Dla uproszczenia nukleotydom tym przypisano pierwsze litery ich nazwy zasadowej. I tak kod DNA zyskał znaną nam postać alfabetu:

A – od puryny adeniny

G – od puryny guaniny

C – od piramidyny cytozyny

T – od piramidyny tyminy

W tym miejscu należy wspomnieć, że z tyminą mamy do czynienia jedynie w nici DNA[21]. W czasie reprodukcji, gdy nić DNA jest zastępowana nicią RNA dochodzi do wymiany tyminy na uracyl. Dochodzi do tego na skutek działania kwasu azotawego[22]. A jak trwała jest cząsteczka uracylu może świadczyć fakt, że wykryto ją w meteorycie – czyli wytrzymała zabójcze promieniowanie kosmiczne i mróz.[23] Jeżeli więc na następnych stronach spotkacie się z literą U zamiast T – to proszę pamiętać, że obydwie litery dotyczą tego samego połączenia.

U – od piramidyny uracyl

Grafika 2. Od góry dwuperścieniowe zasady purynowe adenina i guanina. Na dole jednopierścieniowe zasady piramidyny cytozyna i tymina. Obok tyminy zasada zastępująca ją w RNA – uracyl

DNA jak Coca-cola

To ciekawe porównanie zaczerpnąłem z materiałów profesor Anny Goc, z Zakładu Genetyki Uniwersytetu M. Kopernika w Toruniu. Pomijając okryte tajemnicą składniki, coca-cola wykazuje niezwykłe podobieństwo do składu nici DNA (tabela poniżej). Może dlatego tak łatwo ulegamy jej smakowi? Sacharoza w napoju jest cukrem złożonym, a deoksyryboza nici DNA cukrem prostym. Natomiast kofeina ma identyczną strukturę – różniąc się zaledwie kilkoma atomami jest analogiem adeniny i może być czasem włączana do rosnącego łańcucha DNA, mogąc wywoływać mutacje. A pierwotny kształt szklanej butelki poprzez wypukłości mógł przypominać skręconą nic DNA.

Tabela 02. DNA jak coca-cola

coca-cola

DNA

cukier (sacharoza)

cukier (deoksyryboza)

fosforan (PO4-)

fosforany

kofeina

zasady

Źródło: materiały Anny Goc

1.01.01. Stałe wiązania

W niciach DNA puryna zawsze łączy się z odpowiednią piramidyną, a piramidyna z odpowiednią puryną. Połączenie puryny z puryną byłoby zbyt duże, by zmieścić się w skręconej nici DNA, natomiast połączenie piramidyn zbyt małe. Inne sposoby wiązań są niemożliwe. Tym samym został spełniony drugi i następne warunki – prostoty budowy, elastyczności i małej podatności na zmiany.

Na poziomie atomowym rzecz polega na wytworzeniu wiązań wodorowych Atomy o ładunku ujemnym (jak tlen czy azot) są przyciągane elektrostatycznie przez atomy wodoru. Ograniczenie tych wiązań do czterech wynika z geometrii zasad oraz położenia atomów mogących uczestniczyć w utworzeniu wiązania wodorowego. Zestawienie par zasadowych przybiera jedynie taką postać:

Grafika 3. Połączenia nukleotydów w parę zasad. Puryna G łączy się z piramidyną C (lub odwrotnie: piramidyna C łączy się z puryną G) oraz puryna A łączy się z piramidyną T, a w nici RNA z piramidyną U (lub odwrotnie piramidyna T lub U łączy się z puryną A

Połączenie C z G (oraz G z C) jest mocniejsze, gdyż związane trzema wiązaniami wodorowymi. Natomiast połączenie A z T (T z A) jest słabsze, gdyż łączy się dwoma wiązaniami.

To ścisłe powiązania mają jednak luki. Słabe punkty wiązania to zasady A i C. Zasada A może zastąpić zasada G, a C może zostać wymieniona przez T.

para A – T (U) mutuje w  G – T

para C – G mutuje w T (U) – G

Głównie to te zmiany są odpowiedzialne za mutacje. Przyczyna wzniesienia człowieka na szczyt drabiny ewolucyjnej, lecz jednocześnie często powód naszych chorób. Zapamiętajmy o możliwości tych mutacji do dalszych rozważań.

Być może dlatego tak prosty, ledwo czteroliterowy alfabet to nie zagadka, a konieczność? Ograniczenie liczby elementów, z których można zbudować życie, jest równoznaczne ograniczeniem liczby błędów możliwych do popełnienia przy ich dalszych transformacjach. A tych ich sporo, o czym się jeszcze przekonamy.

Mała liczba rodzajów cegiełek

Nie należy się martwić, że nasze życie zbudowano z małej części znanych rodzajów cegieł. Każdy architekt potwierdzi, że to wystarczająca liczba brył, by zbudować budynki z oknami o najbardziej fantazyjnych kształtach i odmiennym przeznaczeniu. A w epoce klocków LEGO wiedzą o tym już dzieci...

Mamy okna połaciowe i balkonowe. Tak małe jak świetliki i tak duże jak witryny. Lukarny, czyli pionowe okna doświetlające poddasze oraz wole oko. Portfenetry sięgające od podłogi po sufit oraz okna nadświetle, usytuowane nad drzwiami.

1.01.02. Budowa podwójnej helisy

Jak wygląda opakowanie cegiełek zasad azotowych podpowiedzieli nam James Watson i Francis Crick w 1953 roku. Od tej pory każdy zna pojęcie podwójnej helisy – skręconej w spiralę podwójnej nici DNA. Helisa jest prawoskrętna, a jeden obrót następuje co 10 zasad azotowych.

Grafika 4. Połączenie par zasadowych w łańcuchu DNA

Oprócz podwójnej nici DNA w jądrach komórkowych oraz cytoplazmie można też odnaleźć jednoniciowe łańcuchy cząsteczek RNA. To wtedy zasada tymina zostaje zamieniona na uracyl (T na U). Pełnią one ważne funkcje w czasie przepisywanie informacji i wielokrotnie będę się do nich odwoływał.

01.02.01. Przyciąganie się nici DNA

Można zapytać, dlaczego różne cząsteczki – chromosomów, nici DNA, cząsteczek białek, RNA, czy choćby swobodni jeźdźcy transpozony – miałyby się rozpoznawać, przyciągać i dążyć do różnorodnych interakcji? Nieoczekiwaną podpowiedzią mogą być obserwacje naukowców z Imperial College London oraz National Institute of Child Health and Human Development w Bethesda[24]. Zaobserwowali oni, że nici DNA o identycznym ułożeniu nukleotydów przyciągają się z odległości większej, niż nici o odmiennym kodzie. I chociaż mówimy tu o odległościach milionowych częściach milimetra – 3 nm, to nadmienię, że podwójna helisa ma grubość zaledwie 2 nm.

01.02.01. Długość nici DNA

Nić DNA potrafi bardzo długa i u człowieka zawiera 3.200.000.000 par zasad.

Jednak porównując stopień ewolucji po liczbie nukleotydów można dojść do niepokojących wniosków. Człowiekowi najbliższa jest płaz ropucha i roślina tytoń. Tytoń co prawda dla wielu ludzi jest wciąż bliski... ale ropucha jedynie dla książąt wierzących w zaczarowane księżniczki, a tych już niewielu jest na świecie.

Najbardziej dziwi kolosalna liczba par zasadowych najczęściej spotykanych ameb, jak Amoeba dubia. Według ostatniego podziału zwierząt zaliczane są do królestwa prokariotów i żyły na Ziemi już 600 mln lat temu[25]. Jej wielkość to zaledwie 500 μm do 1000 μm – a wielkość genomu jest 200 razy większa niż człowieka!

Tabela 03. Liczba par zasadowych u wybranych organizmów

Organizm

typ

Liczba par zasadowych

glon Navicola pelliculosa

glony

35.000.000

muszka owocowa Dwsophila mdanogctsler

stawonogi

180.000.000

pantofelek Paramecium aurelia

pierwotniak

190.000.000

kurczak Gałins domesticus

strunowce

1.200.000.000

grzyb Erysiphe cichoracearum

grzyby

1.500.000.000

karp Cypńnus carpio

strunowce

1.700.000.000

minóg morski Lampretłł planer

strunowce

1.900.000.000

wąż Boa constrictor

strunowce

2.100.000.000

rekin Carcarias obscurus

strunowce

2.700.000.000

szczur Rnttus norvegici4S

strunowce

2.900.000.000

ropucha Xenopus laevis

strunowce

3.100.000.000

człowiek Homo sapiens

strunowce

3.200.000.000

tytoń Nicotiana tahaccum

rośliny

3.800.000.000

pantofelek Paramecium caudatum

pierwotniak

8.600.000.000

szarańcza pustynna Schistocerco gregaria

stawonóg

9.300.000.000

cebula Aliium cepa

rośliny

18.000.000.000

glon Coscinodiscus asteromphalus

glony

25.000.000.000

lilia Uliiim formosanum

rośliny

36.000.000.000

sosna czerwona Pinus resinosa

rośliny

68.000.000.000

traszka Amphiuma means

strunowce

84.000.000.000

ryba dwudyszna Protopterus aethiopicus

strunowce

140.000.000.000

paproć Ophicglossum petiolatum

rośliny

160.000.000.000

ameba pełzak odmieniec Amoeba proteus

ameby

290.000.000.000

ameba Amoeba dubia (Polychaos dubium)

ameby

670.000.000.000

Źródło: materiały Anny Goc

Czyżby więc ewolucja polegała na stosowaniu zasady brzytwy Ockhama – redukując niepotrzebne fragmenty kodu genetycznego? W pewnym stopniu tak może być – patrząc na dół tabeli, gdzie rośliny, niektóre zwierzęta i wspomniana ameba, mają większą liczbę genów, chociaż osiągnęły niższy szczebel ewolucji niż człowiek. Ale górna część tabeli pokazuje, że to nie jest tak prosta zależność. Musi by więc inny powód... Będziemy próbowali go odnaleźć w dalszych rozważaniach.

01.02.01. Początek czy koniec nici?

Pozostał do rozstrzygnięcia problem – gdzie jest początek, a gdzie koniec tej nici? Do dalszych rozważań jest bardzo istotne pytanie. Dlatego przyjrzyjmy się temu zagadnieniu bliżej.

Skrajne końce łańcucha kwasu nukleinowego są zakończone różnymi „końcówkami”. Dlaczego? W tym wypadku główną rolę odgrywają wiązania atomowe. Jeden nukleotyd może połączyć się wiązaniem fosfodiestrowym z drugim nukleotydem poprzez piąty atom węgla cukru prostego (pentozy) – stąd nazwa tego zakończenia 5’. A do trzeciego atomu węgla cukru prostego nie może zostać przyłączony już żaden nukleotyd – dlatego ta końcówka określana jest 3’. W ten sposób ustalono porządek czytania informacji genetycznej. Odczytywanie informacji z nici zaczyna się od końca 5’, natomiast zatrzymuje na końcu 3’.

Początek czy ketązcop?

Określa się, że nici są wobec siebie antyrównoległe, tzn. koniec jednego jest dokładnie naprzeciw początku drugiego. To prawda, lecz dalsze stwierdzenie mogą już prowadzić do błędnych wniosków. Bardzo często spotykam się z wnioskiem, że skoro tak jest, to czytanie zakodowane informacji można zacząć z każdego końca. A to nieprawda. Słowo początek nie jest tym samym słowem – czytanym wspak. Nie ma słowa ketązcop. Dlatego uważam, że powinno się mówić o lustrzanym odbiciu nici DNA. A przyczyną takiego ułożenia nie jest możliwość kodowania z dowolnej strony (początku lub końca nici). Lustrzane ułożenie zasad jest sposobem weryfikacji ułożenia odpowiednich nukleotydów w odpowiednim miejscu. Co i tak nie zawsze się sprawdza...

01.02.01. Nić bezsensowna i sensowna

Gdy już wiemy, że podwójna helisa skręcona jest z dwóch pojedynczych nici DNA o różnych początkach i końcach, przyjrzyjmy się jej bliżej.

Grafika 5. Schemat podwójnej nici DNA oraz jednoniciowego RNA

Jak widać na grafice nukleotydy matrycowej nici DNA łączą się z komplementarnymi nukleotydami, tworząc nić niematrycową. Natomiast nić RNA, która jest podstawą do odczytywania informacji o budowie białek w rybosomach, ma ułożone nukleotydy w identycznej kolejności jak nić matrycowa DNA (poza wymienionym nukleotydem T na U) – ale odwrotny kierunek odczytywania informacji.

Zwróćmy uwagę, że:

• mimo pozornej zgodności nici matrycowej DNA z nicią RNA, nie może ona służyć do odczytywania informacji genetycznej, gdyż ma odwrotny kierunek zapisu (czytanie odbywałoby się od końca do początku kodu),

• nić niematycowa DNA ma ten sam kierunek czytania, lecz lustrzane odbicie nukleotydów uniemożliwia prawidłowe odczytanie informacji,

• zawartość informacji genetycznej jest identyczna z nicią matrycową DNA(nastąpiła jedynie wymiana zasady T na U), a kierunek odczytywania jest zgodny z nicią niematrycową.