Genleri taşıyan DNA molekülünü keşfetmeden önce hayatın temel mekaniği hakkında çok fazla bilgi sahibi değildik. DNA’nın çifte sarmal yapısını ortaya çıkarmamız, en büyük bilimsel keşiflerden biri oldu.
YIL1869 ve genç bir araştırmacı Almanya’daki eski bir şatodaki bir laboratuvarda muhteşem bir buluşa imza attı! Bu laboratuvarda hücrenin yapısı araştırılıyordu ve Friedrich Miescher basit akyuvar hücreleri üzerinde çalışıyordu. Yakınlardaki bir hastanede çöpe atılmış bandajlar üzerindeki doku örneklerinden aldığı hücrelerdeki proteinleri sınıflandırmayı bitirdikten sonra örneklerde sürekli gördüğü bir madde üzerine odaklandı. Bu madde oldukça garipti (fosfor içeren bir asit) ve Miescher tamamen yeni bir madde türü keşfettiğini fark etti! Bundan sonraki yıllarda dünyadaki herkesin aşina olacağı Nuclein ya da diğer adıyla DNA bulunmuştu!
Her şüpheci bilim insanı gibi Miescher’’in patronu Felix Hoppe-Seyler de ihtiyatlı olmaları gerektiğini düşünüyordu. Bu yüzden iki yıl bekleyip deneyleri tekrarladılar, makalelerini ancak ondan sonra yayımladılar. Daha sonra bu sürecin aslında bir vakit kaybı olmadığı ortaya çıktı; Zira, bilim dünyasının DNA’nın ne kadar önemli olduğunu anlayabilmesi için uzun yıllar geçmesi gerekti. Miescher araştırmalarına devam etti ve farklı hücre türlerindeki DNA’ları buldu, ancak o bile böyle tek bir maddenin hayatın bu inanılmaz büyük çeşitliliğini ortaya çıkardığına inanmamıştı. 1940’larda çoğu bilim insanı proteinlerin (farklı boyut ve şekillerde olan biyolojik moleküllerin) kalıtım mirasını aktarmaya yetecek kadar karmaşık olan tek madde olduğunu düşünüyordu. Kromozomlar, genleri içeren DNA ve protein sarmalları, hücre içinde ilk defa 1840’larda fark edildi. O yüzyılın sonlarına doğru araştırmacılar bu sarmalların hücre bölünmesi sırasında iki katına çıkıp tekrar yarıya indiklerini fark ettiler. 1865’te Avusturyalı rahip Gregor Mendel bezelyelerle yaptığı deneylerle genetik kalıtımı açıklamaya çalıştı.
Belli özelliklerin belli birimlerde aktarıldığım ortaya koydu. 1900lerin başında bilim insanları Mendel’in çalışmalarım tekrar keşfettiler ve Mendel’in birimlerinin (genlerin) kromozomlarda olması gerektiğine karar verdiler. Peki neden meydana geliyorlardı? DNA mı, yoksa protein mi? Ayrıca neye benziyorlardı?
Albrecht Kossel isimli bir Alman doktor bu sorunun yanıtına giden yolda ilk adımları attı. 1800’lerin sonunda Hoppe-Seyler ile birlikte çalışırken DNA’nın “bazlarını” (asitlerin kimyasal karşıtı) buldu ve onlara timin (T), adenin (A), sitozin (C) ve guanin (G) isimlerini verdi. Çalışmaları 1890’larda New York’a göç etmiş olan Litvanyalı bir araştırmacı, Phoebus Levene tarafından devam ettirildi 1890’larm ortalarından itibaren 30 yıl boyunca DNA’mn yapışım çalıştı ve diğer bileşenlerini (deoksiriboz ve fosfat grupları) belirledi.
Buna ek olarak, DNA’nın nükleotid adını verdiği bileşenlerden oluştuğunu keşfetti Her bir birim bir şeker, bir fosfat grubu ve bazdan oluşuyordu ve birbirlerine bir nükleotidin fosfat grubundan diğerinin şekerine uzanan bağlar ile bağlıydı.
Levene’nin doğru olarak buldukları bundan ibaretti. Her DNA molekülünde sadece dört nükleotid olduğunu düşünüyordu. Ona göre bu nükleotidler birbirine tetranükleotid adını verdiği bir halka şeklinde bağlıydı. Levene’nin tetranükleotidleri genetik kodu taşıyamayacak kadar basitti, bu yüzden kalıtım bilgilerinin proteinler tarafından taşmıyor olması gerektiğini düşündü. DNA’nın aslında ne kadar karmaşık bir yapı olduğunu ortaya çıkartmak için daha yakından bakmak gerekiyordu. Levene DNA’nın karmaşık yapısını çözmeye çalışırken, okyanusun öbür tarafında bir baba-oğul DNA’nın yapısını çözmek için yeni bir teknik geliştiriyordu. Leeds Üniversitesinden fizikçi William Henry Bragg ve oğlu, Cambridge’deki Cavendish laboratuvarında araştırmacı William Lawrence Bragg, 1912 -1914 arasında X-ışım kristalografisinin temellerim attılar. Onlara ilham veren, Max von Laue’nin çalışmaları olmuştu. Max von Laue 1912’de X-ışınlarının kristallerin içinden geçerken büküldüğünü keşfetmişti. Genç Bragg, kristallerin düzenli bir atomik yapısı olduğu için, içinden geçen X-ışınlarının bükülme şeklinin kristallerin yapısı hakkında bir bilgi vereceğini düşündü. Babası daha pratik bir yaklaşımla, ilk X-ışını spektrometresini icat etti. Bu cihaz bir nesneyi X-ışını bombardımanına tutabiliyordu. İki Bragg, teorilerim test etmek için tuz kristalleri kullandılar.
Yaptıkları deneylerde kristalin arkasma bir fotoğraf kâğıdı koydular. Üzerine gelen X-ışınları karakteristik bir düzen sergiledi. William Lawrence Bragg daha sonra adına Bragg Kanunu denen bir denklem geliştirdi Bu denklem sayesinde dağılma düzeninden geriye doğru giderek kristalin yapışım ortaya çıkarabiliyorlardı. İkili bu proje ile 1915’te Nobel Ödülünü kazandı.
Bu tekniği biyolojik moleküllere uygulayan ilk gruplardan birinin başında 1928’de Leeds Üniversitesine gelen William Astbury vardı. Astbury, Kraliyet Bilim Akademisinde William Henry Bragg’m altında çalışmıştı. İsviçreli bir araştırmacı, Torbjörn Caspersson 1937’de Astbury’ye buzağı DNA’sı örnekleri gönderdi. Caspersson birkaç yıl önce DNA’nın Levene’in düşündüğünün aksine kısa bir zincir değil, bir polimer (uzun bir nükleotid zinciri) olduğunu ortaya koymuştu.
Anahtar Deney
Biyofizikçi Rosalind Franklin tarafından çekilen bir fotoğraf DNA molekülünün yapısını çözmemizi sağlayan anahtarı bize verdi.
ROSALIND FRANKLIN’in ünlü deneyi (sonuçlarına James Watson kısaca göz atmıştı) farklı su oranlarına sahip DNA örnekleri ile yapılan bir dizi X-ışınlı kristalografi görüntüsü idi. 1952’de “51 numaralı fotoğraf” DNA’nın yapısı hakkında en önemli detayları öğrenmemizi sağladı. Bir yapının içinde bir desen ne kadar çok kendini tekrar ederse, X-ışınları o yönde o kadar çok bükülüyor ve fotoğrafta bu bükülmeye karşılık gelen nokta o kadar koyu oluyor. Resmin üst ve altında yer alan siyah lekeler DNA’nın bazlarını gösteriyor.
X- şeklini oluşturan lekeler ise yapının sarmal olduğuna işaret ediyor. Çarpı işaretinin kolları bir sarmala yandan baktığımızda gördüğümüz simetri düzlemlerine karşılık geliyor. Her kolda 10 nokta bulunuyor ve sonunda tepedeki siyah lekeye varıyoruz. Bu leke üst üste binmiş, sarmalın her dönüşünde üst üste gelen 10 bazı gösteriyor. Merkezdeki dördüncü leke kayıp. Bu da DNA’nın ipliklerinden birinin diğerine göre biraz daha kaymış olduğunu gösteriyor.
Rosalind Franklin bu fotoğrafla 1953’te Ünlü “51 ilgilenmeye başladı. Not defterlerinden bu fotoğraf” fotoğraftaki tüm anahtar bilgileri topladığını, analiz ettiğini ve sonunda Watson ve Crick ile aynı kanıya vardığını öğreniyoruz.
Astbury’nin doktora öğrencisi Florence Bell, o yıl DNA’nın yüzlerce X-ışım kırınım fotoğrafını çekti. Ortaya bir düzen çıkması, DNA’nın “çözülebilir” bir yapıya sahip olduğuna dair umutlan canlandırdı. Her ne kadar Astbury ve Bell’in fotoğrafları 1950’lerin başmda Rosalind Franklin’in çektiği fotoğraflarla karşılaştığında bulanık lekeler gibi kalsa da, çok önemli bir gerçeği ortaya koydular: DNA molekülünün içindeki bazlar arasındaki mesafe. 1938’de Astbury bu görüntüleri kullanarak DNA için bir yapı önerdi. Önerdiği yapıda bazlar üst üste biniyordu ancak fotoğraflardaki detay o kadar azdı ki, daha ileri gitmesi mümkün olmadı.
BAKTERİLERDEKİ İPUÇLARI
Bu sırada Amerika’da Oswald Avery isimli bir medikal araştırmacı 1928’de Fred Griffith isimli bir İngiliz mikrobiyologun yapmış olduğu bir deneyi rafine etmekle uğraşıyordu. Zararsız bakterilerin ve onların yavrularının virüslü bakteriler kullanarak zararlı hale getirilebileceğini gösterdi. Bu da iki bakteri türü arasında bir şeylerin aktarılmakta olduğuna işaret ediyordu. Avery ve meslektaşları sadece DNA’nın (proteinin değil) transfer edilebileceği bir ortam hazırladılar. Yaptıkları deneyler, genetik bilginin sadece DNA üzerinden geçmekte olduğunu kanıtlamalarını sağladı. Çoğu bilim inşam reddetse de, kalıtımın DNA yolu ile aktarıldığı kabul edildi ve nasıl bir şeye benzediğini görmek için gerekli bilimsel cihazlara sahip olduğumuz ortaya çıktı. Arkasından, 1950’lerde bilim dünyasında DNA’nın yapısının nasıl olduğunu çözmek için bir yarış başladı Gerçi konu ile ilgilenenlerin bir yanşta olduklarından haberi de yoktu.
DNA araştırmaları II. Dünya Savaşı sonrası bilim dünyasında daha hızlandı. Zira uzun süre savaş teknolojileri üzerinde çalışmak zorunda kalmış olan bir sürü bilim inşam artık odağım biyolojik problemleri çözmeye çevirmişti. Bunların arasında hem radar, hem de atom bombasının imal edildiği Manhattan projesinde çalışmış olan Maurice Wilkins vardı. Wilkins 1950’lerin ortalarında King’s College London’ın yeni biyofizik ünitesinde direktör yardımcısı olarak çalışıyordu. Thames nehrinin altında, rutubetli bir yeraltı laboratuvarında Wilkins ve doktora öğrencisi Raymond Gosling, Astbury’den çok daha net DNA X-ışını fotoğrafları çekiyordu.
Rosalind Franklin 1951’de DNA araştırmasına davet edildi. Paris’te kömür, karbon ve grafit üzerine X-ışını ile yaptığı çalışmalarla tanınıyordu ve beraberinde tüm deneyimini getirdi. Ancak DNA araştırmasında Wilkins ile ters düştü ve aralarındaki tartışma yüzünden ekip bilimsel yarışta geri kaldı. Franklin’in o dönemde yaptığı en önemli keşif, Gosling ile beraber DNA’nm iki formunun olduğunu bulmalarıydı. A tipi DNA susuz, sıkıca paketlenmiş formdaydı. B tipi DNA ise sulu ve daha uzundu. İki tip DNA farklı X-ışını desenleri çıkarıyordu.
Astbury’nin bulanık fotoğrafları bu ikisinin birleşiminden oluşuyor olmalıydı. King’s College ekibi ve özellikle Franklin, iyi bir X-ışını taraması ile DNA’nın yapışım çözebileceklerine inanıyordu. Ancak Cambridge’deki Cavendish laboratuvarmdaki (artık başında William Lawrence Bragg vardı) iki araştırmacı, James Watson ve Francis Crick farklı fikirlere sahipti.
YARIŞ KIZIŞIYOR
20’li yaşlarda bir Amerikalı araştırmacı olan Watson çok erken yaşta doktorasını vermişti. Daha yaşlı olan ve keskin zekâsı ile bilinen Crick ise DNA deneyleri konusunda fazla deneyime sahip değildi. Farklı bir yoldan giderek DNA’mn bilinen parçalarının birbirine nasıl uyacağını anlamak için fiziksel modeller üretmeyi denediler. Deneysel bilgi birikimlerinin çoğu, seminerlerden ve Wilkins ile olan dostça sohbetlerinden geliyordu.
1951ın sonunda, Watson ve Crick, King’s College ekibini modellerini incelemeleri için davet etti. Doğru yapıyı bulduklarına inanıyorlardı. Watson’un Franklin’le olan sohbetlerinden hatırladıkları kadarıyla, üç DNA zinciri, içte şeker-fosfat çerçeve, dışta ise bazları kullanmışlardı. Franklin hemen bir hata olduğunu anladı. DNA’nın su içeriği nedeniyle, çerçevenin içte değil dışta olması gerekiyordu. Utanç duyan Bragg, onların DNA üzerinde daha fazla çalışmalarını yasakladı.
1952 Mayıs ayında Franklin “51 numaralı fotoğraf’ adını verdiği, DNA’nın B formunun çok net bir fotoğrafını çekti (Anahtar Deney başlıklı kutuya bakınız). Ancak Wilkins ile daha önce A formunun üzerine odaklanacaklarına karar vermişlerdi, bu yüzden bu fotoğrafı bir kenara koydu.
1953 Ocak ayında Franklin King’s College ekibinden ayrıldı ve Birkbeck College’e geçti. Burada çalışmalarını Wilkins ile paylaştı. Wilkins uzun zamandır DNA’nın sarmal bir yapısı olduğuna inamyordu. Fotoğrafı Watson ile paylaştı. Watson daha sonra bu konuda “fotoğrafı gördüğüm anda ağzım açık kaldı, kalbim daha hızlı atmaya başladı” yazacaktı. 51 numaralı fotoğrafa bakan Watson hemen “sarmal” yapıyı görmüştü. İlhamla dolu olarak Cambridge’e geri döndü.
1953 Şubat ayında moleküler biyoloji alamnda ünlü bir isim olan protein yapısı uzmanı Linus Pauling kendi DNA yapısı önerisi ile ortaya çıktı. Ancak üzerinde çalıştığı veriler sadece Astbury’den geldiği için, yapıyı yanlış kurmuştu. Bir dizi temel hataya ek olarak DNA’mn üç zincirden oluştuğunu iddia ediyordu. Watson ve Crick İngiltere’nin bilimsel yarışı kaybedeceğinden korkuyorlardı. Bir fırsat gördüler ve kendi modelleri üzerinde çalışmaya geri döndüler. Bazların birbirinden ne kadar uzak olduğunu, DNA’mn çerçevesinin molekülün dışında olması gerektiğini ve genel yapının sarmal olduğunu biliyorlardı. Ayrıca iki zincir olması gerektiğini de düşünüyorlardı. Franklin’in verisinin daha fazlasını görmüşlerdi. Bu verileri iki ekibi de fonlayan Medical Research Council’in biyofizik komitesinden almışlardı. Bu bilgiler ışığında Crick, DNA molekülünün içindeki zincirlerin baş aşağı da aynı göründüğünü fark etti ve sarmalların ters yönlerde ilerlemesi gerektiğini düşündü.
Bulmacamn son parçasım 1949’da Erwin Chargaff ın yaptığı bir deney yerine koydu. 1952’de Cavendish ekibini ziyaret etmişti. A’ların sayısı ile T’lerin sayısının, C’lerin sayısı ile G’lerin sayısının eşit olduğunu belirledi. Watson ve Crick A’ların her zaman Tler ile, C’lerin ise Gler ile bağlanmasını gerektiğini anladılar. Bu durumda ortaya merdiven benzeri bir sarmal çıkıyordu. Bağlı bazlar basamakları, şeker ve fosfat ise kenarları oluşturuyordu.
Modellerini tamamlayan ikili yemek yemek için yakınlarında bulunan The Eagle isimli bir pub’a gittiler ve hayatın anlamını bulduklarını söylediler. King’s College ekibi kontrole geldiğinde, modeli hemen kabul etti
Watson daha sonra “Rosy’nin modelimizi hemen kabul etmesi beni çok heyecanlandırdı” diye yazacaktı. “Bu yapının doğru olmayacak kadar iyi olduğunu kabul etmişti.”Crick ve Watson’un DNA yapısı, 1953 Nisan ayında Nature dergisinde bir makale olarak yayımlandı. Beraberinde King’s College ekibinin yazdığı iki makale daha vardı. Makalelerde King’s College ekibinin sağladığı verilerin önemine değinilmiyordu. Franklin 1958’de, bunu hiç öğrenemeden öldü. Watson, Crick ve Wilkins çalışmalarına devam ettiler ve 1962’de Nobel Ödülünü aldılar. Watson ve Crick 1953’ye yayımladıkları makalede “ortaya koyduğumuz çifte bağlantıların genetik malzemenin kopyalanması için bir mekanizma sağladığı da dikkatimizden kaçmadı” diye yazmıştı.
1953’ten bu yana araştırmacılar DNA’nın kendisini nasıl kopyaladığını, A, T, C ve G dizelerinin protein üretmek için gerekli şablonu nasıl ürettiğini ortaya çıkardılar. Son zamanlarda, insan genomunun analizi sayesinde de bilim insanları DNA’nın hayatı nasıl meydana getirdiğini de çözmeye çok yaklaştılar.
DNA’nın yapısını anlamak için gerekli anahtar terimler.
1- NÜKLEOTİD
DNA’nın temel yapı taşlan. Her nükleotid bir baz (DNA’nın harfleri: Adenin, guanin, timin veya sitozin), bir şeker ve bir fosfat grubundan oluşuyor. Nükleotidler iki paralel DNA zinciri oluşturuyorlar. Aradaki bağlantılarda adenin timin ile, guanin ise sitozin ile bağlanıyor.
2- FOSFAT GRUBU
Etrafı oksijen atomları ile çevrili bir fosfor atomu. Fosfat grupları ve deoksiriboz şekerler uzun DNA molekülünün “çerçevesini” oluşturuyor.
3- X-IŞINI KRİSTALOGRAFİSİ
Kristallerin yapısını anlamak için onları X-ışını bombardımanına tutma tekniği. X-ışınları kristallerin içinde düzenli olarak yerleşmiş olan atomlardan sekiyor ve oluşturdukları desenler fotoğraf kağıdına yansıtılıyor. Daha sonra bir denklem yardımı ile kristalin yapısı ortaya çıkarılıyor.
