Po stopách molekuly života: Jak se zrodil objev, který změnil medicínu
V březnu 1953 došlo k události, kterou dnes považujeme za největší objev na poli medicíny ve dvacátém století. Francis Crick a James Watson odhalili v cambridgeské laboratoři strukturu DNA. Watson zemřel loni v listopadu a zanechal po sobě ohromné dědictví.
I po více než sedmi dekádách výzkumů zůstává na pomyslné mapě genetiky značný počet bílých míst. Objev Jamese Watsona a Francise Cricka lze však stále považovat za ohromný skok kupředu. Do té doby připomínalo bádání na daném poli sestavování gigantické skládačky, u níž nikdo nezná ani počet dílků, ani výsledný obraz. O kyselině deoxyribonukleové neboli DNA se nevědělo o mnoho víc, než že existuje. Již v roce 1869 ji sice popsal Friedrich Miescher, tehdy ovšem ještě neměl tušení, že se mu podařilo izolovat molekulu nesoucí genetickou informaci.
Předehra k objevu
Švýcarský přírodovědec ve skutečnosti zkoumal bílé krvinky z hnisu v obvazech raněných a jen náhodou přitom zjistil, že jádra leukocytů obsahují dosud neznámou látku nebílkovinné povahy. Podle místa výskytu ji nazval nuklein, z latinského „nukleus“ čili „jádro“, nicméně jej nezaujala natolik, aby se jí dál věnoval.
Zmíněný úkol tak připadl až dalším generacím vědců: O dvě desetiletí později přišel Richard Altmann na to, že jde o kyselinu. Mezi léty 1885 a 1901 se jejímu intenzivnímu výzkumu věnoval další Němec, Albrecht Kossel. A ten také nakonec identifikoval a popsal její čtyři báze – adenin, guanin, thymin a cytosin – známé podle prvních písmen svých názvů jako A, G, T, a C (viz Všední jména nevšedního objevu).
Za svůj objev sice Kossel v roce 1910 obdržel Nobelovu cenu, pořád ovšem zbývalo odhalit řadu neznámých. Další z množství buněčných tajemství rozlouskl kanadský imunolog Oswald Avery, když po půlstoletí čekání na zásadnější průlom zveřejnil v roce 1944 revoluční zjištění, že právě DNA ukrývá dědičný kód. Vědci však nemohli s bádáním pokročit, aniž by vyjasnili klíčovou otázku: Jakou má vlastně zmíněná molekula strukturu?
Synku, máme to!
Odpověď přinesli dva kolegové z univerzity v anglické Cambridgi, tehdy 37letý Crick a o 12 let mladší Watson. „Myslíme si, že jsme objevili základní kopírovací mechanismus, jímž život pochází ze života,“ napsal první zmíněný 19. března 1953 v dopise pro svého 12letého syna Michaela. Zevrubně mu v něm vylíčil, jak přesně DNA vypadá a funguje, a chlapec se tak jako jeden z prvních na světě seznámil se strukturou dvojité šroubovice. S prezentací převratného objevu totiž dvojice čekala ještě déle než měsíc, načež se o něm celý svět mohl dočíst v časopise Nature. Mimochodem, onen sedmistránkový dopis se dochoval a v roce 2013 se vydražil za 5,3 milionu dolarů, což z něj učinilo nejdražší dokument svého druhu v historii.
Černobílá fotografie obou vědců hrdě pózujících s velikým modelem DNA obletěla planetu, ovšem zároveň poněkud neprávem strhla pozornost pouze na ně. Ve skutečnosti by však Crick s Watsonem popsaného úspěchu nedosáhli bez přispění dalších kolegů, kteří jim přinejmenším pomohli prošlapat cestičku. Opomíjenou osobností zůstává i Rosalind Franklinová, jež jako jedna z prvních žen dosáhla úspěchu v typicky mužských oborech, jakými chemie a fyzika v polovině minulého století byly. Vědkyně působící na King’s College London se věnovala metodě rentgenované krystalografie, jejíž pomocí odhalila, že má kyselina v buněčném jádře strukturu dvojité šroubovice.
Franklinová také pravděpodobně pochopila, že jsou oba řetězce komplementární, což umožňuje replikaci molekuly. Bez této zcela zásadní informace by později Crick a Watson nemohli nikdy dojít ke svým závěrům a vytvořit reálný model. S využitím obyčejné stavebnice zobrazili opakující se motiv bází spárovaných vždy po dvojicích A–T a C–G, propojených vodíkovými vazbami. Poznatky své kolegyně přitom údajně využili bez svolení a v článku její přínos zmínili jen okrajově.
Tři muži na pódiu
Možná by dnes veřejnost znala jméno Rosalind Franklinové lépe, kdyby v roce 1962 spolu s Watsonem a Crickem vystoupala na pódium pro Nobelovu cenu. Nadaná badatelka, jež se později věnovala virologii, však pět let předtím v pouhých 37 letech podlehla rakovině. Vědecké ocenění tak místo ní přebíral její kolega Maurice Wilkins, třetí muž, jenž hrál v popsaném dobrodružství stěžejní roli.
Ve své laboratoři v King’s College London rovněž zkoumal nukleové kyseliny, a právě on dvojici slavnějších kolegů ukázal rentgenový snímek DNA pořízený Franklinovou – tzv. fotografii 51. Na základě toho mohli Watson a Crick dojít ke správnému závěru. O sestavení molekuly kyseliny deoxyribonukleové se totiž v minulosti již někteří vědci neúspěšně pokusili: Nejvíc přitom zřejmě proslul chybný třívláknový model amerického chemika Linuse Pauliga, který však zároveň jako první přišel se správnou myšlenkou, že by DNA mohla mít strukturu šroubovice.
Spirála nesoucí život
Po určení struktury DNA už byl jen krůček k tomu, poodhalit princip jejího fungování – jinými slovy odkrýt způsob, jakým se dědičná informace přenáší. Velký milník znamenalo rozluštění genetického kódu, tedy souboru pravidel, podle nichž DNA umožňuje vznik jednotlivých aminokyselin. Genetický kód je u většiny známých organismů univerzální, ale sekvence nukleotidů zjednodušeně řečeno určuje, že z jedné buňky vznikne sinice a z jiné člověk. Poté, co v 70. letech hned několik vědců nezávisle na sobě vyvinulo první jednoduché metody sekvenování DNA, dovolující „přečíst“ pořadí nukleotidů, mohli začít pracovat na gigantické výzvě – zmapování genomu jednotlivých organismů.
Tím by se vědcům, a zejména lékařům otevřela cesta například k pochopení toho, které konkrétní geny zodpovídají za dědičné choroby. A co víc: V budoucnu by se mohli pokusit uvedeným nemocem předcházet díky cíleným zásahům. Potíž tkví v tom, že informace ukrytá v buňkách je extrémně komplikovaná a její přečtení znamená časově i technologicky nesmírně náročný úkol. I v případě jednobuněčných bakterií, považovaných za organismy s nejjednodušším a nejkratším genomem, jde obvykle o víc než milion párů bází.
Genom jako otevřená kniha
V roce 1995 oznámil tým amerického genetika Craiga Ventera, že úspěšně přečetl genom bakterie Haemophilus influenzae. V následujících letech přibývalo organismů, jejichž genetická informace přestávala být pro vědce tajemstvím, a od těch jednobuněčných se badatelé postupně přesouvali k vyšším – až nakonec došlo i na člověka.
Práce započaly již v 80. letech a v roce 1990 potom odstartoval ambiciózní Human Genome Project alias HUGO, jehož prvním ředitelem se nestal nikdo jiný než James Watson. Loni v listopadu Watson jako poslední z trojice objevitelů ve věku 97 let skonal, Crick a Wilkins zemřeli krátce po sobě už v roce 2004.
Dožili se však toho, kdy spolupracující vědci z univerzit celého světa o rok dřív oznámili, že úspěšně popsali všech zhruba 20 tisíc lidských genů.
V současnosti se sekvenování genomu nachází opět o něco dál a do oboru se zapojila i řada soukromých firem. Každý zájemce si tak teoreticky může zaplatit „přečtení“ vlastní DNA.
Všední jména nevšedního objevu
Dvě báze DNA pojmenoval Albrecht Kossel podle částí zvířecích těl, z jejichž buněk kyselinu deoxyribonukleovou izoloval: Adenin vzešel z řeckého výrazu pro žlázu v odkazu na slinivku a thymin z latinského termínu pro brzlík.
Guanin byl známý již od roku 1844, kdy jej německý chemik Julius Unger identifikoval v ptačím trusu zvaném guano.
Cytosin pak získal název založený na předponě cyto- s významem „buňka“.
