حل معمای زیست شناسی به روش شیمی فیزیک

در میان یافته های علمی زیست شناسی، به کمتر یافته یی برمی خوریم که به اندازه یافته «جیمز واتسون» و «فرانسیس کریک» (یعنی کشف ساختار سه بعدی DNA) معروف باشد. این کشف نتیجه کار پژوهشی آنان به تنهایی نبود، بلکه حاصل هم اندیشی و کنار هم چیدن یافته های پژوهشگران دیگری بود که به باور برخی از دانشمندان، نقش آنان در روشن شدن ساختمان سه بعدی DNA از «واتسون» و «کریک» پررنگ تر بود. در این مقاله، فعالیت های پنج شخصیتی معرفی می شود که هر یک به شیوه یی در کشف مارپیچ دوتایی سهیم بوده اند. این افراد عبارتند از؛
۱) «فردریک مایشر»، پزشک سوئیسی که اسیدنوکلئیک را کشف کرد و نشان داد این ماده در هسته همه سلول ها وجود دارد.
۲) «فوبوس لون»، پزشک و شیمیدان روسی که ساختمان شیمیایی اسیدهای نوکلئیک را معرفی کرد.
۳) «اروین چارگاف»، شیمیدان استرالیایی که مقدار بازهای آلی را در DNA جانداران گوناگون سنجید.
۴) «لینوس پاولینگ»، شیمیدان بزرگ امریکایی که روی ساختمان پروتئین ها کار می کرد.
۵) «رزالین د. فرانکلین»، شیمی فیزیکدان انگلیسی که از بلور DNA عکس پراش پرتو ایکس تهیه کرد.
● فردریک مایشر
«فردریک مایشر» (۱۸۹۵-۱۸۴۴) به سفارش پدرش وارد دانشکده پزشکی شد، اما به علت دشواری در شنیدن، نمی توانست با بیماران به خوبی ارتباط برقرار کند. از این رو تصمیم گرفت وارد عرصه پژوهش های پزشکی شود. وی در سال ۱۸۶۸ پژوهش های خود را زیر نظر «فلیکس هوپ سیلر» در دانشکده علوم طبیعی دانشگاه توبینگن آلمان آغاز کرد. در آن آزمایشگاه، هنگامی که هنوز بسیاری از دانشمندان در مفهوم «سلول» شک داشتند، برخی از مولکول های سازنده سلول ها استخراج شده بودند و پژوهش در زمینه شیمی بافت ها ادامه داشت.
بررسی شیمیایی سلول های سفید خون، به عنوان موضوع پژوهش های «مایشر» برگزیده شد. استخراج این سلول ها از گره های لنفاوی بسیار دشوار بود، اما در زخم های چرک مقدار زیادی از آنها یافت می شود. از این رو، «مایشر» باندهای آلوده را از بیمارستان محلی جمع آوری و با کمک محلولی از نمک، گلبول های سفید را از آنها جدا می کرد. «مایشر» در جریان یکی از آزمایش هایش، گلبول های سفید را تحت تاثیر عصاره معده خوک قرار داد. در آن زمان، دانشمندان می دانستند این عصاره، آنزیمی دارد که باعث هضم پروتئین ها می شود. امروزه آن آنزیم را با نام پپسین می شناسیم. وی چگونگی اثر عصاره را بر این سلول ها، به دقت زیر میکروسکوپ پیگیری کرد. وقتی عصاره معده، پروتئین های سفید خون را تخریب کرد، او مشاهده کرد که ساختار این سلول ها از هم پاشید، اما هسته آنها تا حدود زیادی سالم باقی ماند. به این ترتیب، او هسته سلول ها را از سیتوپلاسم جدا کرد. در گام بعدی، هسته ها را تحت تاثیر هیدروکسید سدیم قرار داد. افزودن این محلول قلیایی به ظرف حاوی هسته ها، باعث تشکیل رسوب سفیدرنگی شد که تجزیه شیمیایی آن نشان داد، کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و درصد زیادی فسفر، عنصرهای سازنده آن هستند. پایداری در برابر عمل پپسین، چگونگی واکنش آن به حلال های متفاوت و درصد فسفر بالا باعث شد «مایشر» پیشنهاد کند، ماده غیرپروتئینی جدیدی را کشف کرده است. وی این ماده را نوکلئین به معنای «در هسته» نامید.
«مایشر» آزمایش های مشابهی را روی اسپرم ماهی آزاد انجام داد. به طور کلی، هسته در همه اسپرم ها حجم زیادی از سلول را به خود اختصاص می دهد. در اسپرم ماهی آزاد نیز بیش از ۹۰ درصد حجم سلول، از هسته است. تلاش شبانه روزی این پژوهشگر پرکار به استخراج نوکلئین از اسپرم ماهی آزاد و اسپرم گونه های دیگر منجر شد. بررسی شیمیایی نوکلئین استخراج شده از آن منابع، نتیجه پیشین را تایید کرد. «مایشر» به راستی ماده جدیدی کشف کرده بود که به نظر می رسید در هسته همه سلول ها وجود دارد. آیا این ماده نمی توانست ماده ژنتیک باشد؟
اگر نوکلئین ماده ژنتیک باشد، باید مقدار آن در همه سلول های پیکری یکسان و در سلول های جنسی نصف سلول های پیکری باشد. «مایشر» برای بررسی این فرضیه چند سال تلاش کرد و توانست مقدار نوکلئین را در هسته سلول های پیکری و جنسی تعیین کند. اما یک رویداد ناشی از بدشانسی باعث شد، او به اشتباه نوعی پروتئین را به عنوان ماده ژنتیک معرفی کند.
«مایشر» درصد فسفر بالا را معیار شناسایی نوکلئین قرار داده بود. در سیتوپلاسم سلول تخمک، پروتئینی به نام فسویتین هفت وجود دارد که بر خلاف دیگر پروتئین ها، مقدار زیادی فسفر دارد. این پروتئین که در آن زمان کشف نشده بود، باعث شد «مایشر» مقدار نوکلئین موجود در تخمک را به درستی محاسبه نکند. از این رو، نتیجه گرفت مقدار نوکلئین سلول تخمک و سلول اسپرم با هم برابر نیستند و بنابراین چنین مولکولی نمی تواند نقش ماده ژنتیک را بازی کند. «مایشر» پس از سال ها تلاش، در اثر سل جان باخت. دو عامل را دلیل ابتلای او به این بیماری می دانند؛ تماس با چرک باندهای بیماران و فعالیت شبانه روزی در اتاق سردی که برای استخراج نوکلئین لازم بود. در هر صورت، وی جان خویش را بر سر شناخت نوکلئین گذاشت.
● فوبوس لون
«فوبوس لون» (۱۹۴۰-۱۸۶۹) فراگیری پزشکی را در روسیه آغاز کرد، اما به سبب کار در آزمایشگاه شیمی آلی، به زیست شیمی (بیوشیمی) علاقه مند شد. در سال ۱۸۲۹ آموزش پزشکی را در نیویورک به پایان رساند و با بزرگان شیمی از جمله «آلبرت کوسل» و «امیل فیشر» آشنا شد که در زمینه اسید نوکلئیک و پروتئین کار می کردند. او در نتیجه پژوهش های فراوان، بیش از ۷۰۰ مقاله درباره ساختمان شیمیایی مولکول های زنده منتشر کرد، اما شهرت او بیشتر به سبب طرح تترانوکلئوتیدی است.
«لون» براساس پژوهش های خود و پژوهشگران پیشین به این نتیجه رسید که نوکلئوتیدها واحد ساختمانی اسیدهای نوکلئیک هستند و اسید نوکلئیکی که «مایشر» کشف کرده بود، از نوع داکسی ریبونوکلئیک (DNA) است. هر نوکلئوتید از یک نوع باز آلی، یک قند پنج کربنه و یک گروه فسفات تشکیل شده که در شرایط طبیعی به صورت یونیزه و دارای بار منفی است. به علاوه او دریافت، نوکلئوتیدها از راه اتصال فسفودی استری به هم پیوند می شوند.
«لون» براساس آزمایش های خود به این نتیجه نادرست دست یافت که اندازه چهار باز A، T، C و G در DNA برابر است. از این رو، طرح تترانوکلئوتیدی را به عنوان ساختمان شیمیایی DNA پیشنهاد کرد. براساس این طرح، DNA مولکول درازی است که از تکرار یک واحد تترانوکلئوتیدی (چهار نوکلئوتیدی) تشکیل شده است؛ یعنی، به صورت زیر؛
n(“ AGTC-AGTC-AGTC “)
روشن است که چنین مولکول یکنواختی نمی تواند اطلاعات وراثتی گوناگون جاندارن را در خود اندوخته کند. به این ترتیب، طرح تترانوکلئوتیدی «لون» از این باور پشتیبانی کرد که با وجود حضور DNA در کروموزوم ها، این مولکول نمی تواند ماده وراثتی باشد. البته، این اشتباه نباید نقشی را که «لون» در شناخت ساختمان شیمیایی DNA داشته است، از یاد ببرد.
● اروین چارگاف
«اروین چارگاف» (۱۹۹۲-۱۹۲۹) در زمینه شیمی، پژوهش های گسترده یی انجام داد، اما بیشتر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهای آلی در DNA مشهور است. وی و همکارانش به مدت هفت سال با روش کروماتوگرافی کاغذی، نسبت بازهای آلی DNA را در جاندارن گوناگون و سلول های پیکری یک جاندار تعیین کردند و نتیجه گرفتند، مقدار بازها در DNA گونه های مختلف جانداران متفاوت است و با تغییر رژیم غذایی، تغییر شرایط محیطی یا افزایش سن جاندار، تغییر نمی کند. اما در تمام نمونه ها، مقدار A با مقدار T و مقدار C با مقدار G برابر است.
آزمایش های «چارگاف» نشان داد، نظریه تترانوکلئوتیدی «لون» درست نیست. نتیجه این آزمایش ها، در روش ساختن ساختمان مولکولی DNA و چگونگی اندوخته شدن اطلاعات در آن، نقش مهمی داشتند. به هر حال، خود او نتوانست از آنها در این زمینه بهره گیرد.
● لینوس پاولین
روش پراش پرتوی ایکس نخستین بار برای بررسی بلور نمک طعام استفاده شد. «لینوس پاولینگ» شیمیدان بزرگ، یکی از نخستین کسانی بود که با بهره گیری از این روش تلاش کرد ساختمان سه بعدی پروتئین ها را روشن کند. وی در مجموعه مقاله هایی که در سال های ۱۹۵۰ و ۱۹۵۱ انتشار داد، مارپیچ آلفا را مهم ترین رکن ساختمان سه بعدی پروتئین ها معرفی کرد. «پاولینگ» برای DNA نیز طرحی پیشنهاد کرد. در طرح او DNA از سه رشته مارپیچ تشکیل شده بود که بازهای آلی آن در بیرون و ستون های قند فسفات در درون مولکول قرار داشتند. به علاوه در طرح او گروه های فسفات به حالت یونیزه و دارای بار منفی نبودند و رشته ها از راه پیوندهای هیدروژنی با هم ارتباط داشتند که بین گروه های فسفات برقرار شده بودند.
براساس آنچه از شیمی DNA می دانیم، گروه های فسفات همیشه به حالت یونیزه و دارای بار منفی هستند و این معما همچنان باقی است که «پاولینگ» (برنده نوبل شیمی) چگونه چنین اشتباهی مرتکب شده است؟ با وجود این، همان طور که در ادامه می آید، شیوه پژوهشی او تاثیر مهمی بر فعالیت های «واتسون» و «کریک» داشت.
● رزالین فرانکلین
«رزالین فرانکلین» (۱۹۵۸-۱۹۲۰) در سال ۱۹۵۱ به همراه یکی از دانشجویان به نام «رایموند گوسلینگ» مجموعه یی از تصویرهای پراش پرتوی ایکس با کیفیت بالا از بلور DNA تهیه کرد. او با استفاده از این تصویرها توانست ابعاد DNA را محاسبه کند و به درستی نتیجه گرفت که گروه های فسفات در بیرون مولکول DNA قرار دارند. به علاوه تشخیص داد DNA به دو شکل A و B وجود دارد و شکل راستین DNA همان شکل B است. تصویری که او از بلور شکل B تهیه کرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدی DNA نقش بسزایی داشت. آن تصویر را «موریس ویلکینز» (با اجازه یا بدون اجازه فرانکلین) در اختیار «واتسون» و «کریک» قرار داده بود. («واتسون» در کتاب خود، که با نام مارپیچ مضاعف در ایران منتشر شده است، به این حقیقت اشاره کرده است.) «فرانکلین» در سال ۱۹۵۸ در اثر سرطان درگذشت. به نظر می رسد کار بیش از اندازه با پرتو ایکس در ابتلای او به سرطان موثر بوده است.
● واتسون و کریک
در روزهای پایانی سال ۱۹۵۱، «جیمز واتسون» (زیست شناس) و «فرانسیس کریک» (فیزیکدان) با هدف تعیین ساختمان مولکولیDNA همکاری خویش را آغاز کردند. آنان می دانستند مولکول DNA از تعداد زیادی نوکلئوتید تشکیل شده است که به صورت خطی و با کمک اتصال های فسفودی استری کنار یکدیگر قرار گرفته اند. از سوی دیگر در همین سال، «پاولینگ» مارپیچ آلفا را به عنوان مهم ترین رکن ساختمان سه بعدی پروتئین ها معرفی کرده بود. از این رو نخستین طرح فرضی برایDNA در ذهن این زوج علمی شکل گرفت.
۱) DNA رشته یی دراز و مارپیچی شکل از واحدهایی به نام نوکلئوتید است. در این رشته، ستون قند فسفات بسیار منظم و ترتیب بازها بسیار نامنظم است.
وقتی آنان طرح فرضی خود را با «ویلکینز» در میان گذاشتند، با این پاسخ روبه رو شدند که بر اساس تصویرهای پراش پرتوی ایکس، قطر مولکول DNA بیش از آن است که وجود تنها یک رشته پلی نوکلئوتیدی آن را توجیه کند. از این رو، «کریک» پیشنهاد تازه یی را مطرح کرد.
۲) مولکول DNA از چند رشته پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است که به دور یکدیگر پیچ خورده اند. آیا DNA مولکولی دورشته یی، سه رشته یی یا چهاررشته یی است؟ ارتباط این رشته ها با یکدیگر چگونه است؟ آیا به راستی مولکولDNA ساختمان مارپیچی دارد؟ پاسخ این پرسش ها با اطلاعات کمی که در اختیار «واتسون» و «کریک» بود، به دست نمی آمد. از این رو از «ویلکینز» خواستند با آنان همکاری کند و تصویر پراش پرتوی ایکس بلور DNA را در اختیارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصویر پراش پرتوی ایکس DNA تصمیم گرفتند همانند دیگر دانشمندانی که به بررسی بلور مولکول ها می پرداختند، با استفاده از سیم و تکه های حلب، طرح فرضی DNA را بسازند. تفسیر تصویرهای پراش بلورها به محاسبه پیچیده یی نیاز دارد. در آن زمان هنوز رایانه وارد آزمایشگاه های بلورشناسی نشده بود. از این رو بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندکی که از تصویرهای پراش پرتو ایکس به دست می آوردند، طرح های فرضی مولکول ها را می ساختند. سپس با انجام محاسبه هایی الگوی پراش فرضی این طرح های ساختگی را تعیین می کردند. سرانجام، پراش فرضی با پراش بلور مقایسه و ساختمان سه بعدی مولکول مورد نظر پیش بینی می شد. برای مثال وجود تقارن و نظم در تصویر پراش بلور، نشان دهنده نظم و تکرار واحدهای سازنده مولکول های بلور است. بنابراین، طرح ساخته شده باید دارای نظم و واحدهای تکرار شونده باشد.
«واتسون» و «کریک» با فرض اینکه ستون قند فسفات در مرکز و بازهای حلقوی در بیرون مولکول DNA قرار دارند، به ساختن نخستین طرح برای DNA مشغول شدند. براساس این طرح؛
DNA ( ۳از دو رشته پلی نوکلئوتیدی تشکیل شده است. این رشته ها با پل های نمکی به هم مربوط می شوند که در آنها کاتیون های دو ظرفیتی مانند Mg۲+ و گروه های فسفات دارای بار منفی شرکت دارند.
آنان پس از پایان کار، از «ویلکینز» و «فرانکلین» دعوت کردند، طرح شان را بررسی کنند. وقتی آنان مساله یون های Mg۲+ را مطرح کردند که دو رشته را کنار یکدیگر نگه می دارند، با اعتراض شدید «فرانکلین» روبه رو شدند. «فرانکلین» پافشاری کرد که یون های Mg۲+ را پوسته هایی از مولکول های آب دربرمی گیرند و بسیار دور از ذهن است که میخ محکمی برای نگه داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او این بود که ستون قند و فسفات در بیرون قرار دارد. به این ترتیب، مولکول های آب، طرح دو رشته یی «واتسون» و «کریک» را فروریختند. مدت ها از این ماجرا گذشت، بدون آن که«واتسون» و «کریک» به موفقیت چشمگیری دست پیدا کنند. تا اینکه باخبر شدند، «پاولینگ» برای ساختمان سه بعدی DNA طرحی پیشنهاد کرده است. اما همان طور که گفته شد، طرح مارپیچ سه رشته یی «پاولینگ» از نظر شیمیایی نادرست بود. مدتی بعد، در دیداری که این زوج علمی با «ویلکینز» داشتند، با تصویر تازه یی از بلور DNA روبه رو شدند که از تصویرهای پیشین ساده تر بود. آن تصویر را که مربوط به شکل B بود، «فرانکلین» تهیه کرده بود. «ویلکینز» به آنان گفت آن تصویر از بلوری تهیه شده که مقدار زیادی آب داشته است و تصویر پیشین که آن دو روی آن کار می کرده اند، از مولکولی بوده که آب خود را از دست داده بوده است. «کریک» به کمک «ویلکینز» آن تصویر را با معادله های ریاضی بررسی کرد تا اطلاعات زیر به دست آمد؛
۱) تصویر پراش بسیار منظم است. بنابراین ساختمان مولکولی DNA باید بسیار منظم و قطر آن در همه مولکول ثابت باشد.
۲) نقش ضربدری که در تصویر مشاهده می شود، از مارپیچ بودن مولکول DNA حکایت می کند و زاویه بین بازوی ضربدر و خط افق با زاویه پیچش DNA برابر است.
۳) در تصویر پراش، نقطه هایی که فاصله زیادی از هم دارند، در واقع فاصله اندکی از یکدیگر دارند و برعکس. با در نظر گرفتن این قاعده که معادله های پیچیده ریاضی آن را تایید می کند، فاصله بین مرکز و محیط تصویر پراش، حدود ۳۴ انگستروم و فاصله بین هر ردیف از نقطه های سیاه با ردیف بعدی حدود ۳۴ انگستروم محاسبه می شود. بنابراین، فاصله هر جفت باز با جفت باز دیگر حدود ۴/۳ انگستروم و فاصله عمودی یک دور کامل مارپیچ DNA ، حدود ۳۴ انگستروم خواهد بود. در این صورت، در هر دور مارپیچ DNA حدود ۱۰ جفت باز آلی جای می گیرد.
سرانجام «واتسون» و «کریک» با درنظر گرفتن این اطلاعات و نتیجه آزمایش های «چارگاف» توانستند به بزرگ ترین کشف زیست شناسی مولکولی دست یابند و به همراه «ویلکینز»، جایزه نوبل ۱۹۶۲ را از آن خود کنند.
● سخن پایانی
کشف مارپیچ دوتایی، نمونه خوبی از نقش و تاثیر دانشمندان رشته های گوناگون علوم، در حل یک مساله است. بدون شناختن ویژگی های فیزیکی و شیمیاییDNA ، زیست شناسان هرگز نمی توانستند به این کشف مهم دست پیدا کنند. جالب اینکه در این کشف نقش شیمیدانان و فیزیکدانان از زیست شناسان پررنگ تر بود.

حسن سالاری

منبع : روزنامه اعتماد