التركيب الجزيئي للأحماض النووية: تركيب حمض الديوكسي ريبوز النووي

كانت مقالة " البنية الجزيئية للأحماض النووية: بنية حمض الديوكسي ريبوز النووي " أول مقالة تُنشر لوصف اكتشاف بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) ، باستخدام حيود الأشعة السينية ورياضيات تحويل الحلزون . نُشرت المقالة بقلم فرانسيس كريك وجيمس د. واتسون في مجلة "نيتشر" العلمية ، في الصفحتين 737-738 من المجلد 171 (بتاريخ 25 أبريل 1953). ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تُوصف هذه المقالة غالبًا بأنها "جوهرة" العلم، نظرًا لإيجازها واحتوائها على إجابة لغزٍ جوهريٍّ حول الكائنات الحية . تمثّل هذا اللغز في كيفية وجود التعليمات الوراثية داخل الكائنات الحية، وكيفية انتقالها من جيلٍ إلى جيل. تُقدّم المقالة حلًا بسيطًا وأنيقًا، أثار دهشة العديد من علماء الأحياء آنذاك، الذين اعتقدوا أن استنتاج وفهم انتقال الحمض النووي سيكون أكثر صعوبة. كان لهذا الاكتشاف أثرٌ بالغٌ على علم الأحياء ، ولا سيما في مجال علم الوراثة ، إذ مكّن الباحثين اللاحقين من فهم الشفرة الوراثية .

أدى تطبيق الفيزياء والكيمياء على المشكلات البيولوجية إلى تطوير علم الأحياء الجزيئي، الذي يهتم بشكل خاص بتدفق المعلومات البيولوجية من الحمض النووي (DNA) إلى البروتينات ونتائجها . وقد أوضح اكتشاف بنية الحمض النووي المزدوجة أن الجينات هي أجزاء محددة وظيفيًا من جزيئات الحمض النووي، وأنه لا بد من وجود آلية تمكّن الخلايا من ترجمة المعلومات الموجودة في الحمض النووي إلى أحماض أمينية محددة، والتي بدورها تُكوّن البروتينات.

كان لينوس باولينغ كيميائيًا ذا تأثير بالغ في تطوير فهم بنية الجزيئات البيولوجية. في عام 1951، نشر باولينغ بنية الحلزون ألفا ، وهو عنصر بنيوي أساسي في البروتينات. وفي أوائل عام 1953، نشر باولينغ نموذجًا ثلاثي الحلزون للحمض النووي DNA، والذي تبيّن لاحقًا أنه غير صحيح. ^{[ 3 ]} اعتقد كل من كريك، وواتسون على وجه الخصوص، أنهما يتسابقان مع باولينغ لاكتشاف بنية الحمض النووي DNA.

كان ماكس ديلبروك فيزيائيًا أدرك بعض الآثار البيولوجية لفيزياء الكم . وقد حفّز تفكير ديلبروك حول الأساس الفيزيائي للحياة إرفين شرودنغر على تأليف كتابه " ما هي الحياة؟" . وكان لكتاب شرودنغر تأثيرٌ كبير على كريك وواتسون. كما كان لجهود ديلبروك في الترويج لـ" مجموعة العاثيات " (التي تستكشف علم الوراثة من خلال الفيروسات التي تصيب البكتيريا) دورٌ هام في التطور المبكر لعلم الأحياء الجزيئي عمومًا، وفي تنمية اهتمامات واتسون العلمية خصوصًا. ^{[ 4 ]}

فاز كريك وواتسون وموريس ويلكنز بجائزة نوبل في الطب عام 1962 تقديراً لاكتشافهم بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي.

ليس من السهل دائمًا ربط بنية الجزيء بوظيفته. وقد وُصف ما يجعل بنية الحمض النووي مرتبطة بوظيفته بشكلٍ واضحٍ وجليٍّ في نهاية المقال: "لم يغب عن بالنا أن الاقتران المحدد الذي افترضناه يُشير مباشرةً إلى آلية نسخ محتملة للمادة الوراثية".

يُعدّ "التزاوج المحدد" سمةً أساسيةً في نموذج واتسون وكريك للحمض النووي DNA، وهو تزاوج وحدات النيوكليوتيدات الفرعية. ^{[ 5 ]} في الحمض النووي DNA، تتساوى كمية الجوانين مع السيتوزين ، وتتساوى كمية الأدينين مع الثايمين . يتشابه زوجا A:T وC:G بنيويًا. على وجه الخصوص، يتساوى طول كل زوج من القواعد، ويتناسبان بالتساوي بين هيكلي السكر والفوسفات. ترتبط أزواج القواعد معًا بروابط هيدروجينية ، وهي نوع من التجاذب الكيميائي سهل الكسر والتكوين. بعد إدراك التشابه البنيوي بين زوجي A:T وC:G، سرعان ما وضع واتسون وكريك نموذجهما الحلزوني المزدوج للحمض النووي DNA، حيث توفر الروابط الهيدروجينية في قلب الحلزون طريقةً لفكّ الشريطين المتكاملين لتسهيل عملية التضاعف : وهو الشرط الأساسي الأخير لنموذج محتمل للجزيء الوراثي.

في الواقع، يشير اقتران القواعد إلى طريقة لنسخ جزيء الحمض النووي. ببساطة، افصل سلسلتي السكر والفوسفات، كل منهما يحتوي على مكوناته من القواعد A وT وG وC المرتبطة بروابط هيدروجينية. يمكن بعد ذلك استخدام كل سلسلة كقالب لتجميع سلسلة مكملة جديدة من أزواج القواعد.

اعتبارات مستقبلية

عندما وضع واتسون وكريك نموذجهما للحلزون المزدوج للحمض النووي، كان معروفًا أن معظم الخصائص المتخصصة للعديد من أشكال الحياة المختلفة على الأرض تُعزى إلى البروتينات . تتكون البروتينات بنيويًا من سلاسل طويلة من وحدات فرعية من الأحماض الأمينية . وبطريقة ما، كان لا بد أن يحتوي جزيء الحمض النووي (DNA) على تعليمات لكيفية صنع آلاف البروتينات الموجودة في الخلايا. ومن خلال نموذج الحلزون المزدوج للحمض النووي، اتضح وجود تطابق بين التسلسلات الخطية للنيوكليوتيدات في جزيئات الحمض النووي والتسلسلات الخطية للأحماض الأمينية في البروتينات. وقد قام علماء الأحياء الجزيئية، خلال الفترة من عام 1953 إلى عام 1965، بتوضيح تفاصيل كيفية توجيه تسلسلات الحمض النووي للخلايا لصنع بروتينات محددة. وقد لعب فرانسيس كريك دورًا محوريًا في كل من النظرية وتحليل التجارب التي أدت إلى فهم أفضل للشيفرة الوراثية . ^{[ 6 ]}

على الرغم من أن واتسون وكريك كانا أول من جمع كل المعلومات المتناثرة اللازمة لإنتاج نموذج جزيئي ناجح للحمض النووي، إلا أن نتائجهم استندت إلى بيانات جمعها باحثون في عدة مختبرات أخرى. فعلى سبيل المثال، استندوا إلى بحث منشور يتعلق باكتشاف الروابط الهيدروجينية في الحمض النووي من قِبل جون ماسون جولاند ودينيس جوردان وزملائهم في جامعة نوتنغهام عام 1947. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} ومع ذلك، فقد استخدم اكتشاف اللولب المزدوج للحمض النووي أيضًا كمية كبيرة من المواد من أعمال غير منشورة لروزاليند فرانكلين ، وإيه آر ستوكس ، وموريس ويلكنز ، وإتش آر ويلسون في كلية كينجز لندن . وقد نُشرت بيانات أساسية من ويلكنز وستوكس وويلسون، ومن فرانكلين وجوسلينج بشكل منفصل، في مقالتين إضافيتين منفصلتين في العدد نفسه من مجلة Nature مع مقال واتسون وكريك. ^{[ 11 ] [ 12 ]} أقرت مقالة واتسون وكريك بأنهما قد "استلهموا" من النتائج التجريبية التي توصل إليها باحثو كلية الملك، ونُشر إقرار مماثل من قبل ويلكنز وستوكس وويلسون في المقالة التالية المكونة من ثلاث صفحات.

في عام ١٩٦٨، نشر واتسون سيرة ذاتية مثيرة للجدل للغاية، يروي فيها اكتشافه للبنية الجزيئية الحلزونية المزدوجة للحمض النووي (DNA)، بعنوان "الحلزون المزدوج "، والتي لم تلقَ قبولًا علنيًا من كريك أو ويلكنز. ^{[ ١٣ ]} علاوة على ذلك، نشر إروين تشارغاف مراجعة "غير متعاطفة" مع كتاب واتسون في عدد ٢٩ مارس ١٩٦٨ من مجلة ساينس . وذكر واتسون في كتابه، من بين أمور أخرى، أنه وكريك اطلعا على بعض بيانات فرانكلين من مصدر لم تكن على علم به، وأنه رأى -دون إذنها- نمط حيود الأشعة السينية للحمض النووي من النوع B الذي حصلت عليه فرانكلين وجوسلينغ في مايو ١٩٥٢ في كينغز بلندن. وبالتحديد، في أواخر عام ١٩٥٢، قدمت فرانكلين تقريرًا مرحليًا إلى مجلس البحوث الطبية ، راجعه ماكس بيروتز ، الذي كان يعمل آنذاك في مختبر كافنديش بجامعة كامبريدج . عمل واتسون وكريك أيضًا في مختبر كافنديش المدعوم من مجلس البحوث الطبية في كامبريدج، بينما كان ويلكنز وفرانكلين في المختبر المدعوم من المجلس نفسه في كينغز بلندن. لم تكن تقارير المجلس تُعمم عادةً على نطاق واسع، لكن كريك قرأ نسخة من ملخص بحث فرانكلين في أوائل عام 1953. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

كان تبرير بيروتز لتمرير تقرير فرانكلين حول الوحدة البلورية لبنيتي الحمض النووي B-DNA و A-DNA إلى كل من كريك وواتسون هو أن التقرير تضمن معلومات سبق أن سمعها واتسون في نوفمبر 1951، عندما تحدثت فرانكلين عن نتائجها غير المنشورة مع ريموند جوسلينج خلال اجتماع رتبه إم إتش إف ويلكنز في كلية كينجز، بناءً على طلب من كريك وواتسون؛ ^{[ 15 ]} وقال بيروتز إنه لم يتصرف بشكل غير أخلاقي لأن التقرير كان جزءًا من جهد لتعزيز التواصل بين مجموعات بحثية مختلفة تابعة لمجلس البحوث الطبية، ولم يكن سريًا. ^{[ 16 ]} هذا التبرير يستثني كريك، الذي لم يكن حاضرًا في اجتماع نوفمبر 1951، ومع ذلك فقد منحه بيروتز أيضًا إمكانية الوصول إلى بيانات تقرير فرانكلين الصادر عن مجلس البحوث الطبية. ثم طلب كريك وواتسون الإذن من رئيس مختبر كافنديش، ويليام لورانس براغ ، لنشر نموذجهما الجزيئي ذي الحلزون المزدوج للحمض النووي، استنادًا إلى بيانات فرانكلين وويلكنز.

بحلول نوفمبر 1951، كان واتسون قد تلقى تدريبًا محدودًا في علم البلورات بالأشعة السينية، كما اعترف بنفسه، وبالتالي لم يكن قد فهم تمامًا ما كان فرانكلين يقوله عن التناظر البنيوي لجزيء الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA). ^{[ 14 ]} مع ذلك، وبمعرفته بتحويلات فورييه لدوال بيسل التي تمثل أنماط حيود الأشعة السينية للهياكل الحلزونية للذرات، فسّر كريك بشكل صحيح إحدى نتائج فرانكلين التجريبية، مشيرًا إلى أن الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) كان على الأرجح حلزونًا مزدوجًا بسلسلتين من عديدات النوكليوتيدات تسيران في اتجاهين متعاكسين. وهكذا، كان كريك في وضع فريد لتقديم هذا التفسير لأنه سبق له العمل على بيانات حيود الأشعة السينية لجزيئات كبيرة أخرى ذات تناظر حلزوني مشابه لتناظر الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA). من جهة أخرى، رفضت فرانكلين أول نهج لبناء النموذج الجزيئي الذي اقترحه كريك وواتسون: أول نموذج للحمض النووي، الذي قدمه واتسون لها ولويلكنز في لندن عام 1952، كان ذا بنية خاطئة بشكل واضح، حيث كانت المجموعات المشحونة المائية في داخل النموذج، وليس في خارجه. وقد أقر واتسون بذلك صراحةً في كتابه " الحلزون المزدوج" . ^{[ 14 ]}

• مقارنة برامج محاكاة الأحماض النووية : نمذجة الأحماض النووية
• علم البلورات
• مايلز من أرض الغد ، مسلسل تلفزيوني (2015-2018) من بطولة أميرالين توأمين يُدعيان واتسون وكريك
• شبه التبلور
• تشتت الأشعة السينية
• التماكب الكيتو-إينولي#DNA ، الرؤية الرئيسية الأخيرة، من أحد المتعاونين مع باولينغ، بأن الكتب الدراسية في ذلك الوقت كانت خاطئة، والتي أدت إلى حل البنية
• تجربة أفيري-ماكلويد-مكارتي ، أول دليل على أن الحمض النووي من المرجح أن يكون المادة الوراثية
• قواعد تشارغاف ، التي أظهرت أن A:T و G:C تحدث بكميات متساوية

• جودسون، هوراس فريلاند (1979). اليوم الثامن من الخلق. صناع ثورة علم الأحياء . سيمون وشوستر. ISBN 978-0-671-22540-7.
• مادوكس، بريندا (2002). روزاليند فرانكلين: سيدة الحمض النووي الغامضة . هاربر كولينز. ​​ISBN 978-0-060-98508-0.
• أولبي، روبرت (1974). الطريق إلى الحلزون المزدوج: اكتشاف الحمض النووي . ماكميلان. ISBN 978-0-486-68117-7.(مع مقدمة بقلم فرانسيس كريك؛ تمت مراجعته في عام 1994، مع ملحق من 9 صفحات.)
• واتسون، جيمس د. (1980). الحلزون المزدوج: سرد شخصي لاكتشاف بنية الحمض النووي . أثينيوم. ISBN 978-0-689-70602-8.(نُشر لأول مرة عام 1968)
• ويلكنز، موريس (2003). الرجل الثالث في الحلزون المزدوج: السيرة الذاتية لموريس ويلكنز . مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-198-60665-9.
• قصة حياة (فيلم تلفزيوني) هو عمل درامي من إنتاج بي بي سي يتناول السباق العلمي لاكتشاف الحمض النووي المزدوج.

• نسخة مشروحة من المقال المنشور في متحف إكسبلوراتوريوم في سان فرانسيسكو
• مقال من مجموعة Access Excellence Classic Collection حول بنية الحمض النووي DNA .
• لينوس باولينغ وسباق الحمض النووي: تاريخ وثائقي