التركيب الحلزوني للحمض النووي: قصة الاكتشاف وسيرة المكتشفين

رؤية عامة عن اكتشاف التركيب الحلزوني المزدوج لحمض النووي

اكتشف كريك، وفرانكلين، وواتسون، وويلكينز التركيب الحلزوني المزدوج للحمض النووي. وقد شكل هذا الاكتشاف أساس التكنولوجيا الحيوية الحديثة.

في كلية كينغز لندن، حصلت روزاليند فرانكلين على صور لبلورة من الحمض النووي باستخدام الأشعة السينية. وكان قد طرح موريس ويلكنز هذه الفكرة لأول مرة. وقد مكنت صور فرانكلين لجيمس واتسون وفرانسيس كريك بإنشاء نموذجهما الشهير ذي الجديلتين أو الحلزون المزدوج.

في عام 1962، حصل واتسون (و. 1928)، وكريك (1916-2004)، وويلكينز (1916-2004) على جائزة نوبل في الفسيولوجيا أو الطب لاكتشافهم عام 1953 بنية الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين (DNA). ولم يحظى بهذا التكريم زميل ويلكنز فرانكلين (1920-1958)، الذي توفي بسبب السرطان عن عمر يناهز 37 عامًا. وقد نوقشت أسباب استبعادها ولا تزال غير واضحة ختى الآن. هناك من يقول بأن السبب أن هناك شرط لجائزة نوبل ينص على أنه "لا يجوز بأي حال من الأحوال تقسيم مبلغ الجائزة بين أكثر من ثلاثة أشخاص". وقد يكون السبب أن ويلكنز فرانكلين توفي قبل منح الجائزة. ولكن هذا الاحتمال مستبعد لأن النص على عدم منح الجائرة لمتوفي لم يوضع حتى عام 1974. أي بعد وفاته بزمن بعيد.

اكتشاف بنية الحمض النووي

يحتوي الحمض النووي الجزيء الذي يشكل أساس الوراثة، على الجينات التي تشفر لكل البروتينات التي بجسم الكائن الحي، بما في ذلك الإنزيمات المختلفة. وقد أدي اكتشاف هذا الجزيء إلى التوصل إلى فهم جديد للوراثة والأمراض الوراثية. وقد أوضح هذا الاكتشاف أن الحمض النووي يتكون من سلسلتين ملتويتين حول بعضهما البعض، أو حلزون مزدوج، من مجموعات الفوسفات والسكر بالتناوب. وأن السلسلتين مترابطتان معًا بواسطة روابط هيدروجينية بين أزواج من القواعد العضوية - الأدينين (A) مع الثايمين (T)، والجوانين (G) مع السيتوزين (C). تعتمد التكنولوجيا الحيوية الحديثة على معرفة بنية الحمض النووي. فمعرفة بنية الحمض النووي أتاح للعلماء امكانية تعديل الحمض النووي للخلايا المضيفة (البكتريا). وهذا مكنهم من انتاج كثير من المركبات الحيوية المهمة، ومنها الأنسولين.

تشكلت خلفية عمل كريك، وفرانكلين، وواتسون، وويلكينز من خلال العديد من الإنجازات العلمية السابقة. من هذه الإنجازات التقدم الذي أحرزه علماء البلورات بالأشعة السينية في دراسة الجزيئات العضوية الكبيرة. والأدلة المتزايدة التي قدمها علماء الوراثة على أن الحمض النووي، وليس البروتين، الموجود في الكروموسومات هو المسؤول عن الوراثة. واكتشاف إروين تشارجاف أن هناك أعدادًا متساوية من قواعد A و T وقواعد  G و C في الحمض النووي. واكتشاف لينوس بولينج أن جزيئات بعض البروتينات لها أشكال حلزونية. وقد تم التوصل إلي أشكال هذه البروتينات من خلال استخدام النماذج الذرية والمعرفة الدقيقة بالتصرف المحتمل للذرات المختلفة.

نبذة عن السيرة الذاتية لمكتشفي بنية الحمض النووي

- روزاليند فرانكلين

من بين الباحثين الأربعة في الحمض النووي، كانت روزاليند فرانكلين فقط هي التي حصلت على أي درجات علمية في الكيمياء. وُلدت في عائلة مصرفية بارزة في لندن، حيث تم تشجيع جميع الأطفال - الفتيات والفتيان - على تطوير قدراتهم الفردية. لقد التحقت بكلية نيونهام، إحدى كليات البنات في جامعة كامبريدج. أكملت شهادتها في عام 1941 في منتصف الحرب العالمية الثانية وقامت بعمل الدراسات العليا في كامبريدج مع رونالد نوريش، الحائز على جائزة نوبل.

لقد استقالت من منحتها البحثية لعام واحد فقط للمساهمة في المجهود الحربي في جمعية أبحاث استخدام الفحم البريطانية. هناك أجرت دراسات متعمقة حول خصائص الفحم والجرافيت. عادت لفترة وجيزة إلى كامبريدج، حيث قدمت أطروحة بناءً على هذا العمل وحصلت على درجة الدكتوراه في الكيمياء الفيزيائية.

بعد الحرب، ومن خلال صديق فرنسي، حصلت على فرصة في المختبر المركزي للخدمات الكيميائية للدولة في باريس، حيث تعرفت على تقنية علم البلورات بالأشعة السينية وسرعان ما أصبحت مرجعًا محترمًا في هذا المجال. في عام 1951، عادت إلى إنجلترا لتلتحق بكلية كينجز كوليدج في لندن، حيث كانت مهمتها تحديث مختبر البلورات بالأشعة السينية هناك للعمل مع الحمض النووي.

- موريس ويلكنز

كان موريس ويلكنز يعمل بالفعل في كينجز كوليدج، وهو فيزيائي ولد في نيوزيلندا وتلقى تعليمه في كامبريدج. وكحاصل على الدكتوراه حديثا، عمل خلال الحرب العالمية الثانية على تحسين شاشات أنبوب أشعة الكاثود لاستخدامها في الرادار ثم سافر إلى الولايات المتحدة للعمل في مشروع مانهاتن.

مثل العديد من علماء الفيزياء النووية الآخرين، أصيب بخيبة أمل من أبحاثة عندما تم تطبيقه على صنع القنبلة الذرية. تحول بدلاً من ذلك إلى الفيزياء الحيوية، حيث عمل مع معلمه في كامبريدج، جون تي راندال  والذي مر بنفسه تجربته - أولاً في جامعة سانت أندروز في اسكتلندا ثم في كينجز كوليدج لندن.

كانت فكرة ويلكنز هي دراسة الحمض النووي باستخدام تقنيات التصوير البلوري بالأشعة السينية، والتي كان قد بدأ بالفعل في تنفيذها عندما تم تعيين فرانكلين من قبل راندال. كانت العلاقة بين ويلكنز وفرانكلين لسوء الحظ سيئة وربما أبطأت تقدمهما.

- جيمس واتسون وفرانسيس كريك

وفي الوقت نفسه، في عام 1951، وصل جيمس واتسون البالغ من العمر 23 عامًا، وهو أمريكي مولود في شيكاغو، إلى مختبر كافنديش في كامبريدج. حصل واتسون على درجتين في علم الحيوان: درجة البكالوريوس من جامعة شيكاغو والدكتوراه من جامعة إنديانا، حيث أصبح مهتمًا بعلم الوراثة. كان قد عمل تحت إشراف سلفادور إي. لوريا في ولاية إنديانا على العاثيات. وهي الفيروسات التي تغزو البكتيريا من أجل التكاثر. وهو موضوع حصل لوريا عليه على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1969.

ذهب واتسون إلى الدنمارك لأبحاث ما بعد الدكتوراه، لمواصلة دراسة الفيروسات وعلاج جهله النسبي بالكيمياء. في مؤتمر عُقد في ربيع عام 1951 في محطة علم الحيوان في نابولي، سمع واتسون ويلكنز يتحدث عن التركيب الجزيئي للحمض النووي وشاهد الصور البلورية الأخيرة للحمض النووي بالأشعة السينية..

وسرعان ما انتقل واتسون إلى مختبر كافنديش، حيث كان هناك العديد من المشاريع البلورية المهمة للأشعة السينية قيد التنفيذ. تحت قيادة ويليام لورانس براج. كان ماكس بيروتز يدرس الهيموجلوبين وكان جون كيندرو يدرس الميوجلوبين، وهو بروتين موجود في الأنسجة العضلية يخزن الأكسجين. حصل بيروتز وكندرو على جائزة نوبل في الكيمياء عن عملهما في نفس العام الذي مُنحت فيه الجائزة لباحثي الحمض النووي – 1962.

كان يعمل فرانسيس كريك تحت قيادة بيروتز، الذي حصل على درجة البكالوريوس في الفيزياء من جامعة كوليدج لندن وساعد في تطوير الرادار والمناجم المغناطيسية (magnetic mines) خلال الحرب العالمية الثانية. كان من المفترض أن يكتب كريك، وهو فيزيائي آخر في علم الأحياء، أطروحته عن التصوير البلوري للهيموجلوبين بالأشعة السينية عندما وصل واتسون، وكان حريصًا على تعيين زميل له للعمل على الحمض النووي.

استلهم واتسون وكريك عمل نموذج للحمض النووي من بولينج الذي نجح في العمل العديد من النماذج الجزيئية. قام واتسون وكريك بسرعة بتجميع عدة نماذج من الحمض النووي وحاولا دمج كل الأدلة التي يمكنهم جمعها. وكانت صور الأشعة السينية الممتازة التي التقطتها فرانكلين، والتي تمكنوا من الوصول إليها دون إذنها، حاسمة في التوصل إلى الحل الصحيح. وأعلن العلماء الأربعة عن بنية الحمض النووي في مقالات ظهرت معًا في نفس العدد من مجلة Nature.

المسارات الوظيفية لمكتشفي تركيب الحمض النووي بعد الاكتشاف

ثم تحركوا في اتجاهات مختلفة. ذهبت فرانكلين إلى كلية بيركبيك في لندن للعمل في مختبر جي دي بيرنال، وهو مكان أكثر ملاءمة لها من كلية كينجز. قبل وفاتها المفاجئة بسبب السرطان، قدمت مساهمات مهمة في التحليل البلوري بالأشعة السينية لبنية فيروس فسيفساء التبغ، وهو علامة بارزة في هذا المجال.

بحلول نهاية حياتها، أصبحت صديقة لفرانسيس كريك وزوجته، ونقلت مختبرها إلى كامبريدج، حيث قامت بعمل رائع على فيروس شلل الأطفال. طبق ويلكنز تقنيات الأشعة السينية في التحديد الهيكلي لأغشية الخلايا العصبية والحمض الريبي النووي (RNA) - وهو جزيء يرتبط بالتخليق الكيميائي في الخلية الحية - بينما كان يرتقي في الرتبة والمسؤولية في كلية كينجز.

في نهاية المطاف التحق واتسون بمختبر كولد سبرينج هاربور (CSHL) لعلم الأحياء الكمي في لونغ آيلاند، نيويورك، حيث عمل مديرا من عام 1968 فصاعدًا. في إثناء قيادته قاد المعمل إلى آفاق جديدة كمركز أبحاث في البيولوجيا الجزيئية. ومن عام 1988 إلى عام 1992 ترأس المركز الوطني لأبحاث الجينوم البشري في المعاهد الوطنية للصحة. بعد ذلك عاد إلى CSHL كمستشار. أدت تصريحات واتسون العنصرية حول ذكاء الأفارقة في عام 2007 إلى قيام CSHL بإجباره على التقاعد، على الرغم من أن المختبر أطلق عليه لقب أستاذ فخري ووصي فخري.

عندما أكد واتسون على آرائه العنصرية في فيلم وثائقي عام 2018، ألغى المختبر هذه الأوسمة وقطع العلاقات مع واتسون. كما أن شهرة واتسون كمكتشف لبنية الحمض النووي جعلت تعبيره العلني المستمر عن وجهات النظر المتحيزة ضد المرأة في العلوم وتعليقاته السابقة المتعلقة المثلية الجنسية تسببت له في ضرر كبير في خلال العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين.

شاهد مزيد من المعلومات عن اكتشاف الحمض النووي في الفيديو المرفق.