By Michael Yudell, MPH, American Museum of Natural History
and Rob DeSalle, Ph.D., American Museum of Natural History

Gregor Mendel, pionier genetyki i proboszcz w kolegiacie w Altbrünn, położonej w Republice Czeskiej.

Kiedy w połowie XIX wieku austriacki mnich Gregor Mendel w swoich eksperymentach doprowadził do odkrycia podstawowych mechanizmów dziedziczności, narodziła się nauka o genetyce, a ludzkość zrobiła pierwsze małe kroki w kierunku rozszyfrowania kodu genetycznego. Mendel pomógł zapoczątkować złoty wiek, w którym naukowcy na całym świecie zmagali się z biologicznymi podstawami dziedziczności. Stulecie zdumiewającego postępu

Od tego czasu punkt ciężkości badań naukowych przeniósł się z Mendla na molekuły, a z genetyki – badania poszczególnych genów i sposobu, w jaki cechy przechodzą z pokolenia na pokolenie – na genomikę, czyli badanie całego DNA (kwasu dezoksyrybonukleinowego) organizmu. Obecnie krajobraz ten zdominowany jest przez Human Genome Project, międzynarodowe konsorcjum badawcze, które w czerwcu 2000 roku ukończyło pierwszy projekt ludzkiego kodu genetycznego. Produkt końcowy – kompletna sekwencja wszystkich 3,1 miliarda par zasad DNA zawartych w prawie każdej ludzkiej komórce – jest zaszyfrowanym planem ludzkiego życia.

Aby zrozumieć ilość danych zawartych w ludzkim genomie, wyobraź sobie 58 nowojorskich książek telefonicznych zapisanych literami A, C, T i G. ©AMNH

Nikt nie mógł przewidzieć, że zaledwie sto lat po Mendlu naukowcy zaczną opanowywać samą cząsteczkę DNA. Jak doszliśmy do tego punktu? W jaki sposób nauka przeszła od myślenia o mechanizmach dziedziczności w najszerszych możliwych kategoriach, poprzez zrozumienie, że geny są podstawowymi jednostkami dziedziczności, do rozszyfrowania i wreszcie manipulowania kodami DNA, które leżą u podstaw całego życia na ziemi? Ta historia to historia wytrwałości, intuicji i zwykłego szczęścia.

Od roślin grochu do muszki owocowej

Zachęcona publikacją O pochodzeniu gatunków Karola Darwina w 1859 roku, większość myśli biologicznej w czasie odkryć Mendla była pochłonięta rozwiązywaniem zagadek ewolucji. Opublikowana w mało znanym czasopiśmie naukowym, praca Mendla przez prawie 40 lat zbierała kurz. Co niezwykłe, została ponownie odkryta w 1900 roku przez trzech botaników pracujących w oddzielnych laboratoriach w Europie. W pierwszych dekadach XX wieku genetyka roślin została wyparta przez badania nad owadami i zwierzętami, a fundamentalne prawa Mendla – które wyjaśniają, jak cechy są przekazywane z pokolenia na pokolenie – zostały przetestowane w szerokim zakresie gatunków.

Zdumiewająco płodna i posiadająca tylko cztery pary chromosomów Drosophila melanogaster (znana jako muszka owocowa) była koniem roboczym genetyków przez prawie sto lat. Na początku ubiegłego wieku Thomas Hunt Morgan i jego studenci z Uniwersytetu Columbia rozpoczęli hodowlę setek tysięcy muszek owocowych. W tym czasie nie istniała jeszcze terminologia, którą dziś nazywamy genetyką. Botanik William Bateson nazwał tę dziedzinę w 1906 roku, a trzy lata później niemiecki biolog Wilhelm Johannsen ukuł termin “gen.”

W 1910 roku w laboratorium Morgana pojawił się samotny, białooki samiec muchy. Wcześniej krytycznie nastawiony do teorii Mendla, Morgan przyjął je, gdy były one w stanie dokładnie opisać przekazywanie tej cechy przez pokolenia. Nazwał taką cechę mutacją. Morgan wykorzystał mutacje, aby wyjść poza prawa rządzące dziedzicznością i zbadać konkretne mechanizmy – same geny – które przeprowadzają ten proces. Znajdując i rozmnażając setki widocznych mutantów, w tym te z różnicami w kolorze ciała i kształcie skrzydeł, on i jego współpracownicy byli w stanie stworzyć mapy chromosomów, które pokazywały, gdzie na każdym z czterech chromosomów Drosophila leżą określone geny – wczesna mapa genomu muszki owocowej.

Eugenika – ciemna strona teorii genetycznej
Podczas gdy naukowe myślenie o genetyce koncentrowało się na pracy Morgana i jego współpracowników w pierwszych trzech dekadach XX wieku, grupa mężczyzn i kobiet znanych jako eugenicy zdominowała dyskurs publiczny. Eugenika jest nauką o poprawie cech ludzkości poprzez selektywną hodowlę. Ruch eugeniczny, podsycany przez nastroje antyimigracyjne i wiarę w genetyczną wyższość niektórych ras, podsycał nienawiść rasową i doprowadził do wprowadzenia dyskryminujących praw oraz sterylizacji około 30 000 rzekomo “słabo rozwiniętych” Amerykanów. Na szczęście eugenika zniknęła z narodowego reflektora niemal tak szybko, jak się pojawiła, a przemianę tę przyspieszyły okropności Holokaustu oraz postępy w genetyce, biologii ewolucyjnej i populacyjnej.

Genetyka molekularna wypiera genetykę klasyczną
Ale niektórzy biolodzy stworzyli matematyczne ramy dla sposobu, w jaki cechy są przekazywane z pokolenia na pokolenie, inni zmagali się z określeniem chemicznych składników jakiegokolwiek materiału dziedzicznego. Niektórzy pozostali przy przekonaniu, że białka przekazują cechy między pokoleniami, podczas gdy inni twierdzili, że kwasy nukleinowe są podstawowym budulcem życia. W 1944 roku seria pomysłowych eksperymentów przeprowadzonych przez trzech amerykańskich biologów na bakteriach pneumokoków (wywołujących zapalenie płuc) pozwoliła ustalić, że geny zbudowane są z DNA. Odkrycie to zapoczątkowało to, co biolog ewolucyjny Ernst Mayr nazwał “istną ‘lawiną’ badań nad kwasami nukleinowymi”, gdy biochemicy rzucili się do odkrywania fizycznej struktury i chemicznych właściwości DNA.

Wejście do podwójnej spirali
W latach 50. w Cavendish Laboratories w Cambridge w Anglii naukowcy opracowali krystalografię rentgenowską, technologię, która umożliwiła interpretację trójwymiarowej struktury skrystalizowanej cząsteczki. Dzięki temu Maurice Wilkins i Rosalind Franklin mogli wykonać “migawki” DNA, które w 1953 r. posłużyły Jamesowi Watsonowi i Francisowi Crickowi do zbudowania ich słynnego modelu: odkryli oni, że DNA ma kształt spiralnej klatki schodowej, czyli podwójnej helisy.

Jeden z oryginalnych modeli Watsona i Cricka dotyczących struktury DNA, wystawiony na ekspozycji AMNH “The Genomic Revolution.” Roderick Mickens ©AMNH

Największa siła Watsona i Cricka leżała w ich zdolności do pogodzenia swojego modelu z istniejącą nauką. Jeszcze w 1933 roku Thomas Hunt Morgan zauważył, że “wśród genetyków nie było zgodnej opinii co do tego, czym są geny – czy są prawdziwe, czy też czysto fikcyjne.” Pracując instynktownie, Morgan nie mógł mieć pewności, że jego mapy genów to coś więcej niż dzikie gusła. Ale począwszy od odkrycia w 1944 roku, że DNA jest rzeczywiście “materiałem” dziedziczności, istnienie genów stawało się coraz mniej teoretyczne. Odkrycie przez Watsona i Cricka rzeczywistej fizycznej struktury DNA doprowadziło w końcu do konsensusu wśród genetyków, że geny są prawdziwe. Mając już opracowane podstawy dziedziczności, ich następcy zaczęli badać procesy genetyczne na poziomie molekularnym i manipulować nimi.

Głębiej w komórkę

Innymi ważnymi graczami na poziomie molekularnym są białka – struktury zbudowane z aminokwasów, które regulują funkcje komórki. W latach 50. chemik Fred Sanger odkrył, jak określić kolejność aminokwasów w danym białku. To, że białka składają się z liniowych tablic dwudziestu aminokwasów, a geny z liniowych tablic czterech kwasów nukleinowych, czyli zasad (DNA), mogło oznaczać tylko jedno. Jakiś rodzaj kodu łączył informacje w DNA z produkcją białek. Rygorystyczne myślenie i eksperymenty wymagane do rozwiązania zagadki przyciągnęły jedne z największych umysłów naukowych pracujących w połowie ubiegłego wieku.

W latach 60-tych Crick i chemik Sydney Brenner ustalili, w jaki sposób DNA instruuje komórki do wytwarzania określonych białek: inna trójka zasad w DNA zwanych kodonami – koduje każdy z dwudziestu aminokwasów, których łańcuchy budują różne białka. W ciągu następnych kilku lat zidentyfikowano coraz więcej kodonów, a kod ostatecznie okazał się taki sam u wszystkich organizmów, od paproci po flamingi.

W międzyczasie biochemicy rozebrali komórkę na części, aby ustalić, jak replikuje się DNA, jak syntetyzowane są białka i jaką rolę odgrywają enzymy. W 1958 roku Arthur Kornberg i Severo Ochoa jako pierwsi zsyntetyzowali cząsteczki DNA w probówce. Następnie odkryli szeroki wachlarz enzymów i białek ważnych w replikacji DNA i translacji białek. Inni zajmowali się manipulowaniem bakteriami, aby przyspieszyć analizę DNA i genów. Technologia zwana rekombinowanym DNA – wycinanie DNA z jednego organizmu i wprowadzanie go do DNA innego – została wynaleziona w 1972 roku, tworząc dziedzinę inżynierii genetycznej. To niezwykle ważne osiągnięcie umożliwiło klonowanie i modyfikowanie genów, tworząc podstawy nowoczesnej biotechnologii. Na przykład kolonie bakterii są obecnie wykorzystywane do ekonomicznej produkcji insuliny i ludzkiego hormonu wzrostu.

Najnowsza maszyna PCR, DNA Engine Tetrad, amplifikuje docelową sekwencję DNA do ponad miliona kopii w ciągu zaledwie kilku godzin. Meg Carlough ©AMNH

Technologie, które pozwoliły naukowcom zobaczyć i manipulować konkretnymi sekwencjami DNA, również ewoluowały. Kluczowym przełomem było wynalezienie łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) przez Kary’ego Mullisa w 1983 roku, procesu, który generuje biliony kopii określonego segmentu DNA w ciągu kilku godzin. PCR zmieniła biologię molekularną, wytwarzając materiał genetyczny w ilościach wystarczająco dużych, aby umożliwić eksperymenty.

Wszystkie te odkrycia wyznaczyły scenę dla pierwszego sekwencjonowania całego genomu, malutkiego wirusa zwanego PhiX0174, w 1977 roku. Sama sekwencja ujawniła wiele niewiadomych na temat genów i ich struktury. Temat ten powracał w miarę sekwencjonowania kolejnych genomów: bakterii w 1995 roku; pierwszego organizmu wyższego, glisty C. elegans, w 1998 roku; muszki owocowej w marcu 2000 roku; a trzy miesiące później – człowieka.

Wykraczając poza genom

Teraz, gdy ludzki genom został zsekwencjonowany, nacisk przenosi się na proteomikę: badanie wszystkich białek, dla których geny kodują. Około 30 000 genów zdefiniowanych przez Human Genome Project przekłada się na 300 000 do 1 miliona białek. Podczas gdy genom jest względnie stały, białka w każdej konkretnej komórce zmieniają się dramatycznie, gdy geny są włączane i wyłączane w odpowiedzi na ich środowisko, kierując zdumiewającym zakresem funkcji biologicznych z niezwykłą precyzją.

Biolodzy molekularni zaczynają teraz odkrywać złożone sposoby, w jakie geny oddziałują ze sobą i ze środowiskiem, aby produkować wiele wyników. Nadal w zdumiewającym tempie gromadzimy i analizujemy informacje na temat genomów ludzkich i pozaludzkich.

Ryzyko i korzyści technologii genetycznych

Możliwość manipulowania DNA czyni nas zdolnymi do wyrządzania ogromnych szkód sobie i naszemu środowisku, a jednocześnie niesie ogromną obietnicę poprawy naszego życia w sposób, jakiego jeszcze nie widzimy. Pojawiające się technologie mogą zwiększyć potencjał dyskryminacji genetycznej i naruszania prywatności genetycznej. Niektórzy martwią się o środowiskowe konsekwencje zmiany genomów różnych roślin i zwierząt. W miarę jak nasze umiejętności i wiedza będą się rozwijać, musimy intensywnie myśleć o radzeniu sobie z takimi potencjalnymi konsekwencjami.

Nie ma jednak wątpliwości, że technologie genomiczne zmienią nasze życie na lepsze. Genomika porównawcza, która porównuje sekwencje całych genomów z różnych organizmów, pozwoli nam lepiej zrozumieć świat przyrody i rolę, jaką geny odgrywają w złożonych chorobach człowieka. Na przykład u myszy wiele sekwencji genów jest identycznych jak u ludzi, jednak funkcje genów często się różnią. Porównując funkcje genów między myszami i ludźmi lub między ludźmi i innymi gatunkami, zaczniemy rozwiązywać wiele genetycznych tajemnic. Technologia mikromacierzy, która umożliwia naukowcom porównywanie dziesiątek tysięcy genów jednocześnie, obiecuje odblokować genetyczne korzenie chorób i zwiększyć naszą zdolność do ich leczenia. Nowa dziedzina farmakogenomiki zapoczątkuje erę medycyny spersonalizowanej. Pacjenci chorzy na raka, na przykład, będą otrzymywać terapie dostosowane do ich specyficznych warunków, zamiast poddawać się nieskutecznym i osłabiającym organizm zabiegom. Może nawet nadejść czas, kiedy genetycy zaczną manipulować naszymi genami, aby wydłużyć ludzkie życie, tworząc istną fontannę młodości. Wreszcie, w miarę jak będziemy sekwencjonować genomy coraz większej liczby gatunków, nasze zrozumienie drzewa życia i naszego miejsca w świecie przyrody będzie się pogłębiać.

Rozważając mechanizmy i znaczenie dziedziczności, naukowcy sto lat temu zastanawiali się: “Czy moglibyśmy?”. Mogliśmy, i zrobiliśmy to. A sekwencjonowanie ludzkiego genomu jest kolejnym kamieniem milowym w odwiecznym dążeniu do zrozumienia naszych początków i rozszyfrowania naszego biologicznego przeznaczenia.