در ميان يافته‌هاى علمى زيست‌شناسى، به کم‌تر يافته‌اى بر مي‌خورديم که به اندازه‌ى يافته‌ى جيمز واتسون و فرانسيس کريک، يعنى کشف ساختمان سه بعدى DNA معروف باشد. اين کشف نتيجه‌ى کار پژوهشى آنان به تنهايى نبود، بلکه حاصل هم‌ انديشى و کنار هم چيدن يافته‌هاى پژوهشگران ديگرى بود که به باور برخى از دانشمندان، نقش آنان در روشن شدن ساختمان سه بعدى DNA ، از واستون و کريک پررنگ‌تر بود.

در اين مقاله، فعاليت‌هاى پنج شخصيتى معرفى مي‌شود که هر يک به شيوه‌اى در کشف مارپيچ دوتايى سهيم بوده‌اند:

فردريک مايشر¹ ، پزشک سوئيسى که اسيد نوکلئيک را کشف کرد و نشان داد که اين ماده در هسته‌ى همه‌ى سلول‌ها وجود دارد.

فوبوس لون² پزشک و شيميدان روسى که ساختمان شيميايى اسيدهاى نوکلئيک را معرفى کرد.

اروين چارگاف³، شيميدان استراليايى که مقدار بازهاى آلى را در DNA جانداران گوناگون سنجيد.

لينوس پاولينگ⁴ ، شيميدان بزرگ آمريکايى که روى ساختمان پروتئين‌ها کار مي‌کرد.

روزالين د فرانکلين⁵ ، شيمى فيزيکدان انگليسى که از بلور DNA عکس پرا ش پرتوى ايکس تهيه کرد.

فردريک مايشر (1895-1844) به سفارش پدرش وارد دانشکده‌ى پزشکى شد، اما به علت دشوارى در شنيدن، نمي‌توانست با بيماران به خوبى ارتباط برقرار کند. از اين رو تصميم گرفت، وارد عرصه‌ى پژوهش‌هاى پزشکى شود. وى در سال 1868 پژوهش‌هاى خود را زير نظر فليکس هوپ سيلر⁶ در دانشکده‌ى علوم طبيعى دانشگاه توبينگن آلمان آغاز کرد. در آن آزمايشگاه، هنگامى که هنو ز بسيارى از دانشمندان در مفهوم «سلول» شک داشتند، برخى از مولکول‌‌‌هاى سازنده‌ى سلول‌ها استخراج شده بودند و پژوهش در زمينه‌ى شيمى بافت‌ها ادامه داشت.

بررسى شيميايى سلول‌هاى سفيد خون، به عنوان موضوع پژوهش‌هاى مايشر برگزيده شد. استخراج اين سلول‌ها از گره‌هاى لنفاوى بسيار دشوار بود، اما در زخم‌هاى چرک مقدار زيادى از آن‌ها يافت مي‌شود. از اين رو، مايشر باندهاى آلوده را از بيمارستان محلى جمع‌آورى و با کمک محلولى از نمک، گلبول‌هاى سفيد را از آن‌ها جدا مى کرد. مايشر در جريان يکى از آزمايش‌هايش، گلبول‌هاى سفيد را تحت تأثير عصاره‌ى معده‌ى خوک قرار داد. در آن زمان، دانشمندان مي‌دانستند اين عصاره ، آنزيمى دارد که باعث هضم پروتئين‌ها مي‌شود. امروزه آن‌ آنزيم را با نام پپسين مي‌شناسيم. وى چگونگى اثر عصاره را بر اين سلول‌ها، به دقت زير ميکروسکوپ پي‌ گيرى کرد. وقتى عصاره‌ى معده ، پروتئين‌هاى سفيد خون را تخريب کرد، او مشاهده کرد که ساختار اين سلول‌‌ها از هم پاشيد، اما هسته‌ى آن‌ها تا حدود زيادى سالم باقى ماند. به اين ترتيب، او هسته‌ى سلول‌ها را از سيتوپلاسم جدا کرد.

در گام بعدى، هسته‌ها را تحت تأثير هيدروکسيد سديم قرار داد. افزودن اين محلول قليايى به ظرف حاوى هسته‌ها، باعث تشکيل رسوب سفيد رنگى شد که تجزيه‌ى شيميايى آن نشان داد، کربن، هيدروژن، اکسيژن، نيتروژن و درصد زيادى فسفر، عنصر هاى سازنده‌ى آن هستند. پايدارى در برابر عمل پپسين، چگونگى واکنش آن به حلال‌هاى متفاوت و درصد فسفر بالا باعث شد که مايشر پيشنهاد کند، ماده غير پروتئينى جديدى را کشف کرده است. وى اين ماده را نوکلئين به معناى «در هسته» ناميد.

مايشر آزمايش‌هاى مشابهى را روى اسپرم ماهى آزاد انجام داد. به طور کلى، هسته در همه‌ى اسپرم‌ها حجم زيادى از سلول‌ را به خود اختصاص مي‌دهد. در اسپرم ماهى آزاد نيز بيش از 90 درصد حجم سلول، از هسته است. تلاش شبانه‌روزى اين پژوهشگر پرکار به استخراج نوکلئين از اسپرم ماهى آزاد و اسپرم گونه‌هاى ديگر منجر شد. بررسى شيميايى نوکلئين استخراج شده از آن منابع، نتيجه‌ى پيشين را تأئيد کرد. مايشر به‌راستى ماده‌ى جديدى کشف کرده بود که به نظر مي‌رسيد، در هسته‌ى همه‌ى سلول‌ها وجود دارد. آيا اين ماده نمي‌توانست ماده‌ى ژنتيک باشد؟

اگر نوکلئين ماده‌ى ژنتيک باشد، بايد مقدار آن در همه‌ى سلول‌هاى پيکرى يکسان و در سلول‌هاى جنسى نصف سلول‌هاى پيکرى باشد. مايشر براى بررسى اين فرضيه چند سال تلاش کرد و توانست مقدار نوکلئين را در هسته‌ى سلول‌هاى پيکرى و جنسى تعيين کرد. اما يک روي‌داد ناشى از بدشانسى باعث شد، او به اشتباه نوعى پروتئين را به عنوان ماده‌ى ژنتيک معرفى کند.

مايشر درصد فسفر بالا را معيار شناسايى نوکلئين قرار داده بود. در سيتوپلاسم سلول تخمک، پروتئينى به نام فسويتين⁷ وجود دارد که بر خلاف ديگر پروتئين‌ها، مقدار زيادى فسفر دارد. اين پروتئين که در آن زمان کشف نشده بود، باعث شد مايشر مقدار نوکلئين موجود در تخمک را به درستى محاسبه نکند. از اين رو، نتيجه گرفته که مقدار نوکلئين سلول تخمک و سلول اسپرم با هم برابر نيستند و بنابراين چنين مولکولى نمي‌تواند نقش ماد ه‌ى ژنتيک را بازى کند.

مايشر پس از سال‌ها تلاش، در اثر سل جان باخت. دو عامل را دليل ابتلاى او به اين بيمارى مي‌دانند: تماس با چرک باندهاى بيماران و فعاليت شبانه‌روزى در اتاق سردى که براى استخراج نوکلئين لازم بود. در هر صورت، وى جان خويش را بر سر شناخت نوکلئين گذاشت.

فوبوس لون (1940-1869) فراگيرى پزشکى را در روسيه آغاز کرد، اما به سبب کار در آزمايشگاه شيمى آلى، به زيست‌شيمى ( بيوشيمى ) علاقه‌ مند شد. در سال 1829 آموزش پزشکى را در نيويورک به پايان رساند و با بزرگان شيمى از جمله آلبرت کوسل⁸ و اميل فيشر⁹ آشنا شد که در زمينه‌ى اسيد نوکلئيک و پروتئين کار مي‌ ‌کردند. او در نتيجه‌ى پژوهش‌هاى فراوان ، بيش از 700 مقاله درباره‌ى ساختمان شيميايى مولکول‌هاى زنده منتشر کرد، اما شهرت او بيش‌تر به سبب طرح تترانوکلئوتيدى است.

لون براساس پژوهش‌هاى خود و پژوهش‌ گران پيشين به اين نتيجه رسيد که نوکلئوتيدها واحد ساختمانى اسيدهاى نوکلئيک هستند و اسيد نوکلئيکى که مايشر کشف کرده بود، از نوع داکسى ريبونوکلئيک (DNA) است. هر نوکلئوتيد از يک نوع باز آلى، يک قند پنج‌ کربنه و يک گروه فسفات تشکيل شده که در شرايط طبيعى به صورت يونيزه و داراى بار منفى است. به علاوه او دريافت، نوکلئو تيدها از راه اتصال فسفودى استرى به هم پيوند مي‌شوند.

لون براساس آزمايش‌هاى خود به اين نتيجه‌ى نادرست دست يافت که اندازه‌ى چهار باز A ، T ، C و G ، در DNA برابر است. از اين رو، طرح تترانوکلئوتيدى را به عنوان ساختمان شيميايى DNA پيشنهاد کرد. براساس اين طرح، DNA مولکول درازى است که از تکرار يک واحد تترانوکلئوتيدى (چهار نوکلئوتيدى) تشکيل شده است؛ يعنى، به صورت زير:

( … AGTC-AGTC-AGTC-AGTC … )_n

روشن است که چنين مولکول يکنواختى نمي‌توند اطلاعات وراثتى گوناگون جاندارن را در خود اندوخته کند. به اين ترتيب، طرح تترانوکلئوتيدى لون از اين باور پشتيبانى کرد که با وجود حضور DNA در کروموزوم‌ها، اين مولکول نمي‌تواند ماده‌ى وراثتى باشد. البته، اين اشتباه نبايد نقشى را که لون در شناخت ساختمان شيميايى DNA داشته است، از ياد ببرد.

اروين چارگاف (1992-1929) در زمينه‌ى شيمى، پژوهش‌هاى گسترده‌اى انجام داده، اما بيش تر به خاطر به دست آوردن نسبت بازهاى آلى در DNA مشهور است. وى و همکارانش به مدت هفت سال با روش کروماتوگرافى کاغذى، نسبت بازهاى آلى DNA را در جاندارن گوناگون و سلول‌هاى پيکرى يک جاندار تعيين کردند و نتيجه گرفتند، مقدار بازها در DNA گونه‌هاى مختلف جانداران متفاوت است و با تغيير رژيم غذايى، تغيير شرايط محيطى يا افزايش سن جاندار، تغيير نمي‌کند. اما در تمام نمونه‌ها، مقدار A با مقدار T و مقدار C با مقدار G برابر است.

آزمايش‌هاى چارگاف نشان داد، نظريه‌ى تترانوکلئوتيدى لون درست نيست. نتيجه‌ى اين آزمايش‌‌ها، در روش ساختن ساختمان مولکولى DNA و چگونگى اندوخته شدن اطلاعات در آن، نقش مهمى داشتند. به هر حال، خود او نتوانست از آن‌ها در اين زمينه بهره گيرد.

روش پراش پرتوى ايکس نخستين بار براى مطالعه‌ى بلور نمک طعام استفاده شد. شيمي‌دان بزرگ لينوس پاولينگ، يکى از نخستين کسانى بود که با بهره‌گيرى از اين روش تلاش کرد، ساختمان سه بعدى پروتئين‌ها را روشن کند. وى در مجموعه مقاله‌هايى که در سال‌هاى 1950 و 1951 انتشار داد، مارپيچ آلفا را مهم‌ ترين رکن ساختمان سه بعدى پروتئين‌ها معرفى کرد.

پاولينگ براى DNA نيز طرحى پيشنهاد کرد. در طرح او، DNA از سه رشته‌ى مارپيچ تشکيل شده بود که بازهاى آلى آن در بيرون و ستون‌هاى قند فسفات در درون مولکول قرار داشتند. به علاوه، در طرح او گروه‌هاى فسفات به حالت يونيزه و داراى بار منفى نبودند و رشته‌ها از راه پيوندهاى هيدروژنى با هم ارتباط داشتند که بين گروه‌هاى فسفات برقرار شده بودند.

براساس آن‌چه که از شيمى DNA مي‌دانيم، گروه‌هاى فسفات هميشه به حالت يونيزه و داراى بار منفي‌‌ هستند و اين معما همچنان باقى است که پاولينگ (برند ه‌ى نوبل شيمى) چگونه چنين اشتباهى مرتکب شده است؟ باوجود اين، همان طور که در ادامه مي‌آيد، شيوه‌ى پژوهشى او تأثير مهمى بر فعاليت هاى واستون و کريک داشت.

روزالين فرانکلين (1958-1920) در سال 1951 به همراه يکى از دانشجويان به نام رايموند گوسلينگ¹⁰، مجموعه‌اى از تصويرهاى پراش پرتوى ايکس با کيفيت بالا، از بلور DNA تهيه کرد. او با استفاده از اين تصويرها تو انست، ابعاد DNA را محاسبه کند و به درستى نتيجه گرفت که گروه‌هاى فسفات در بيرون مولکول DNA قرار دارند. به علاوه تشخيص داد، DNA به دو شکل A و B وجود دارد و شکل راستين DNA ، همان شکل B است. تصويرى که او از بلور شکل B تهيه کرد، در روشن شدن ساختمان سه بعدى DNA نقش به سزايى داشت. آن تصوير را موريس ويکلينز (با اجازه يا بدون اجازه‌ى فرانکلين) در اختيار واستون و کريک قرار داده بود.(واتسون در کتاب خود، که با نام مارپيچ مضاعف در ايران منتشر شده است، به اين حقيقت اشاره کرده است.)

فرانکلين در سال 1958 در اثر سرطان درگذشت. به نظر مي‌رسد، کار بيش از اندازه با پرتو ايکس در ابتلاى او به سرطان مؤثر بوده است.

در روزهاى پايانى سال 1951، جيمز واتسون (زيست‌شناس) و فرانسيس کريک (فيزيکدان) با هدف تعيين ساختمان مولکولى DNA ، همکارى خويش را آغاز کردند. آنان مي‌دانستند، مولکول DNA از تعداد زيادى نوکلئوتيد تشکيل شده است که به صورت خطى و با کمک اتصال‌هاى فسفودى استرى کنار يکديگر قرار گرفته‌اند. از سوى ديگر، در همين سال، پاولينگ مارپيچ آلفا را به عنوان مهم‌ترين رکن ساختمان سه بعدى پروتئين‌ها معرف کرده بود. از اين رو، نخستين طرح فرضى براى DNA ، در ذهن اين زوج علمى شکل گرفت:

1. DNA رشته‌اى دراز و مارپيچى شکل از واحدهايى به نام نوکلئوتيد است. در اين رشته، ستون قند فسفات بسيار منظم و ترتيب بازها بسيار نامنظم است.

وقتى آنان طرح فرضى خود را با ويلکينز در ميان گذاشتند، با اين پاسخ روبه‌رو شدند که براى اساس تصويرهاى پراش پرتوى ايکس، قطر مولکول DNA بيش از آن است که وجود تنها يک رشته پلي‌نوکلئوتيدى آن را توجيه کند. از اين رو، کريک پيشنهاد تازه‌اى را مطرح کرد:

2. مولکول DNA از چند رشته‌ى پلى نوکلئوتيدى تشکيل شده است که به دور يکديگر پيچ خورده‌اند.

آيا DNA مولکولى دو رشته‌اى، سه رشته‌اى يا چهار رشته‌اى است؟ ارتباط اين رشته‌ها با يکديگر چگونه است؟ آيا به راستى مولکول DNA ساختمان مارپيچى دارد؟ پاسخ اين پرسش‌ها با اطلاعات کمى که در اختيار واتسون و کريک بود، به دست نمي‌آمد. از اين رو، از ويلکينز خواستند با آنان همکارى کند و تصوير پراش پرتوى ايکس بلور DNA را در اختيارشان قرار دهد. آنان با در دست داشتن تصوير پراش پرتوى ايکس DNA ، تصميم گرفتند همانند ديگر دانشمندانى که به مطالعه‌ى بلور مولکول‌ها مي‌پرداختند، با استفاده از سيم و تکه‌هاى حلب، طرح فرضى DNA را بسازند.

تفسير تصويرهاى پراش بلورها، به محاسبه‌ى پيچيده‌اى نياز دارد. در آن زمان، هنوز رايانه وارد آزمايشگاه‌هاى بلورشناسى نشده بود. از اين رو، بلورشناسان با توجه به اطلاعات اندکى که از تصويرهاى پراش پرتو ايکس به دست مي‌آوردند، طرح‌هاى فرضى مولکول‌‌ها را مي‌ساختند. سپس با انجام محاسبه‌هايى ، الگوى پراش فرضى اين طرح‌هاى ساختگى را تعيين مي‌کردند. سرانجام، پراش فرضى با پراش بلور مقايسه و ساختمان سه بعدى مولکول مورد نظر پيش‌بينى مي‌شد. براى مثال، وجود تقارن و نظم در تصوير پراش بلور، نشان دهنده‌ى نظم و تکرار واحدهاى سازنده‌ى مولکول‌هاى بلور است. بنابراين، طرح ساخته شده بايد داراى نظم و واحدهاى تکرار شونده باشد.

واتسون و کريک با فرض اين که ستون قند فسفات در مرکز و بازهاى حلقوى در بيرون مولکول DNA قرار دارند، به ساختن نخستين طرح براى DNA مشغول شوند. براساس اين طرح :

3. DNA از دو رشته‌ى پلى نوکلئوتيدى تشکيل شده است. اين رشته‌ها با پل‌هاى نمکى به هم مربوط مي‌شوند که در آن‌ها کاتيون‌هاى دو ظرفيتى مانند ⁺Mg² و گروه‌هاى فسفات داراى بار منفى، شرکت دارند.

پس از پايان کار، آنان از ويلکينز و فرانکلين دعوت کردند، طرحشان را بررسى کنند. وقتى آنان مسأله‌ى يون‌هاى ⁺Mg² را مطرح کردند که دو رشته را کنار يکديگر نگه مي‌دارند، با اعتراض شديد فرانکلين روبه‌رو شدند. فرانکلين پافشارى کرد که يون‌هاى ⁺Mg² را پوسته‌هايى از مولکول‌هاى آب دربرمي‌گيرند و بسيار دور است ميخ محکمى براى نگه‌داشتن ساختمان DNA باشند. نظر او اين بود که ستون قند و فسفات در بيرون قرار دارد. به اين ترتيب، مولکول‌هاى آب، طرح دو رشته‌اى واتسون و کريک را فروريختند.

مدت‌ها از اين ماجرا گذشت ، بدون آن که واتسون و کريک به موفقيت چشمگيرى دست پيدا کنند. تا اين که با خبر شدند، پاولينگ براى ساختمان سه بعدى DNA ، طرحى پيشنهاد کرده است. اما همان طور که گفته شد، طرح مارپيچ سه رشته‌اى پاولينگ از نظر شيميايى نادرست بود.

مدتى بعد، در ديدارى که اين زوج علمى با ويکلينز داشتند، با تصوير تازه‌اى از بلور DNA روبه‌رو شدند که از تصويرهاى پيشين ساده‌تر بود. آن تصوير را که مربوط به شکل B بود، فرانکلين تهيه کرده بود. ويلکينز به آنان گفت، آن تصوير از بلورى تهيه شد ه که مقدار زيادى آب داشته است و تصوير پيشين که آن دو روى آن کار مي‌کرده‌اند، از مولکولى بوده که آب خود را از دست داده بوده است. کريک به کمک ويلکينز آن تصوير را با معادله‌هاى رياضى بررسى کرد تا اطلاعات زير به دست آمد:

1) تصوير پراش بسيار منظم است. بنابراين، ساختمان مولکولى DNA بايد بسيار منظم و قطر آن در همه‌ى مولکول ثابت باشد.

2) نقش ضربدرى که در تصوير مشا هده مي‌شود، از مارپيچ بودن مولکول DNA حکايت مي‌کند و زاويه‌ى بين بازوى ضربدر و خط افق، با زاويه‌ى پيچش DNA برابر است.

3) در تصوير پراش، نقطه‌هايى که فاصله‌ى زيادى از هم دارند، در واقع فاصله‌ى اندکى از يکديگر دارند و برعکس. با در نظر گرفتن اين قاعده که معادله‌هاى پيچيده‌ى رياضى آن را تأ ييد مي‌کنند، فاصله‌ى بين مرکز و محيط تصوير پراش، حدود 34 انگستروم و فاصله‌ى بين هر رديف از نقطه‌هاى سياه با رديف بعدى، حدود 34 انگستروم محاسبه مي‌شود. بنابراين، فاصله‌ى هر جفت باز با جفت باز ديگر، حدود 4/3 انگستروم و فاصله‌ى عمودى يک دور کامل مارپيچ DNA ، حدود 34 انگستروم خواهد بود. در اين صورت، در هر دور مارپيچ DNA ، حدود 10 جفت باز آلى جاى مي‌گيرد.

سرانجام، واتسون و کريک با درنظر گرفتن اين اطلاعات و نتيجه‌ى آزمايش‌هاى چارگاف، توانستند به بزرگ‌ترين کشف زيست‌شناسى مولکولى دست يابند و به همراه ويلکينز، جايز ه‌ى نوبل 1962 را از آن خود کنند.

کشف مارپيچ دوتايى، نمونه‌ى خوبى از نقش و تأثير دانشمندان رشته‌هاى گوناگون علوم، در حل يک مسأله است. بدون شناختن ويژگي‌هاى فيزيکى و شيميايى DNA ، زيست‌شناسان هرگز نمي‌توانستند به اين کشف مهم دست پيدا کنند. جالب اين که، در اين کشف نقش شيميدانان و فيزيکدانان، از زيست‌شناسان پررنگ‌تر بود.

1. Friedrich Miescher

2. Phoebus Levene

3. Erwin Chargoff

4. Linus Pavling

5. Rosalind Franklin

6. Felix Hope- Seyler

7. Phosvitin

8. Albrecht Kossel

9. Emill Fischer

10. Raymond Goling

1. A.E.Mirsky, The Chemistry of Heredity, Scientific American: 188(2), 47-57(1953)

2. Alfred E.Misky, Discovery of DNA, Scientific American: 218(6), 78-86 (1968)

3. Michel Morange, A History of Molecular Biology, Harvard University Press (1998)

4. J.D.Watson and E.F.C.Crick, Molecular Structure of Nucleic Acid, Nature: 4356,737-738(1953)

5. F.H.C.Crick, the Structure of the Heredity Material, Scientific American: 191(4), 54-61(1954)

6. Robert J.Brooker, Genetics Analysis and Principles, Addison-Wesley (1999).

7. Hery Michools, So you think you know the double helix www.bmn.com