Vor 70 Jahren machten zwei junge Männer eine bahnbrechende Entdeckung, die zu globalen Biowissenschaften führte

Einführung

In diesem Jahr jährt sich die Entdeckung der DNA-Doppelhelixstruktur zum 70. Mal. Am 25. April 1953 veröffentlichten zwei junge Männer in der renommierten Zeitschrift Nature einen einseitigen Artikel, in dem sie die Doppelhelixstruktur der DNA enthüllten, was für eine Weile große Aufmerksamkeit erregte. Seitdem ist die biologische Forschung offiziell in das molekulare Zeitalter eingetreten, was bahnbrechende Veränderungen mit sich brachte und erhebliche Auswirkungen auf die Arzneimittelproduktion, die Verbesserung von Nutzpflanzensorten, die Behandlung von Krankheiten und andere Aspekte hatte.

Heute haben wir die Ehre, Dr. Maoye Ji, CEO von Cold Spring Harbor Asia, einzuladen. Dr. Ji arbeitete einst am Cold Spring Harbor Laboratory in den Vereinigten Staaten und hatte viel Kontakt mit dem Nobelpreisträger James Watson. Im Jahr 2008 gründeten Dr. Ji und Watson Cold Spring Harbor Asia in Suzhou, gleichzeitig die einzige Auslandsniederlassung des Cold Spring Harbor Laboratory. Heute ist es ein Zentrum für Kommunikation und Lernen unter Molekularbiologen in China und sogar anderen ostasiatischen Ländern.

Heute interviewen wir Dr. Ji über die Entdeckung der Doppelhelixstruktur und ihre Auswirkungen.

01 Wie kann nachgewiesen werden, dass Nukleinsäure genetisches Material ist?

Ye Shuisong: Bereits 1869 entdeckten Wissenschaftler das DNA-Molekül. Allerdings dauerte es bis in die 1930er und 1940er Jahre, bis die Wissenschaft erkannte, dass „Nukleinsäuren das genetische Material des Lebens sind“. Können Sie uns kurz etwas über den Prozess der Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA erzählen?

Ji Maoye: Das Leben hat eine andere Eigenschaft als alle anderen Substanzen, nämlich dass es „von Generation zu Generation weitergegeben wird“.

Biologen, Chemiker und Physiker stellen sich alle diese Frage: Welche Substanz weist diese Eigenschaft auf? Schließlich entdeckten Wissenschaftler, dass das Leben aus vier Arten von Makromolekülen besteht. Das erste ist Protein, das in zwanzig verschiedene Aminosäuren zerlegt werden kann; das zweite ist Lipid, also Fett; der dritte ist Zucker, der Energie liefern kann; und das vierte ist Nukleinsäure. Welche Substanz wird verwendet, um die Vererbung von Generation zu Generation zu unterstützen? Aus der Perspektive der molekularen Komplexität wird allgemein angenommen, dass Proteine ​​eher das genetische Material darstellen.

Doch bis 1940 bestätigten immer mehr Experimente, dass Nukleinsäuren das genetische Material sein könnten. Eines der berühmtesten Experimente wurde von Oswald Avery an der Rockefeller University in New York durchgeführt. Er fand heraus, dass die Integration der toxischen Nukleinsäure eines Pneumokokken in einen anderen, nicht-toxischen Pneumokokken diesen in einen toxischen verwandeln kann. Dieses Experiment legte den starken Schluss nahe, dass „DNA das genetische Material ist“.

Das Experiment, das schließlich bewies, dass „Nukleinsäuren genetisches Material sind“, war das Matha-Chase-Experiment. Dieses Experiment wurde in Cold Spring Harbor durchgeführt und ist in der Geschichte der Biochemie sehr berühmt. Der Kernpunkt des Experiments bestand darin, das Virus mit Isotopen zu markieren. Die Struktur eines Virus besteht aus einer Proteinhülle, die die Nukleinsäure umhüllt. Martha Chase verwendete bei ihrem Experiment auf sehr geschickte Weise verschiedene Isotope, um die äußere Proteinhülle und die Nukleinsäure im Inneren zu markieren. Dieses Experiment bewies auch endgültig, dass „Nukleinsäure genetisches Material und kein Protein ist“.

02 Wie Watsons Interesse an DNA begann

Ye Shuisong: Warum entschied sich Watson, nach Europa zu gehen, um die Struktur der DNA zu erforschen?

Ji Maoye: In den 1950er Jahren verlief die Verbreitung von Informationen relativ langsam und es dauerte im Allgemeinen ein halbes Jahr, bis Forschungsergebnisse der Öffentlichkeit bekannt wurden. Watson ging damals oft nach Cold Spring Harbor. Aufgrund der geografischen Lage wusste er schon sehr früh, dass es sich bei dem genetischen Material um DNA handelte. Er dachte damals, dass das Problem der Genstruktur gelöst wäre, wenn man die Molekülstruktur der Nukleinsäuren kenne. Nach seinem Doktortitel erklärte Watson klar, dass er die „molekulare Struktur der DNA“ studieren wollte, und ging daher von den Vereinigten Staaten nach Europa.

Damals war eine Technologie zur Untersuchung der Molekülstruktur erforderlich: die Röntgenbeugungstechnologie. Das Prinzip der Röntgenbeugungstechnologie besteht darin, dass hochgereinigte DNA oder Proteine ​​nach der Bestrahlung mit Licht reflektiert werden und lichtempfindlich werden, was auf dem Film entwickelt werden kann. Aus dem entwickelten Bild kann auf die Molekülstruktur geschlossen werden.

Zu dieser Zeit war die Röntgenbeugungstechnologie in Europa sehr weit fortgeschritten, insbesondere das Cavendish-Labor an der Universität Cambridge. Der Laborleiter Lawrence Bragg erhielt für diese Technologie den Nobelpreis. Zu dieser Zeit nutzten viele Forschungseinrichtungen in Europa diese Technologie zur Untersuchung biologischer Makromoleküle, Proteine ​​usw., insbesondere die Universität Cambridge in Großbritannien.

Lawrence Bragg

In den Vereinigten Staaten gab es damals nur wenige Labore, die diese Art von Arbeit durchführten. Also ging Watson gleich nach seinem Abschluss nach Europa. Er machte einen „Umweg“ und ging zunächst nach Kopenhagen, stellte jedoch später fest, dass dies nicht der Ort war, den er besuchen wollte, und so ging er nach einem halben Jahr dort nach Cambridge.

Ye Shuisong: Hat sich Watson von Anfang an sehr für die Struktur der DNA interessiert?

Ji Maoye: Watson interessierte sich für die Molekülstruktur der DNA, weil er bereits wusste, dass Nukleinsäure das genetische Material ist. Nach seinem Doktorat in den USA beschloss er, die Molekülstruktur der DNA zu erforschen. Wenn wir die Molekülstruktur der DNA verstehen, wird die Struktur der Gene sehr einfach und klar.

Watson skizziert die Doppelhelixstruktur der DNA

Tatsächlich geht es den Wissenschaftlern nicht um Finanzierung, Technologie oder andere Themen, sondern darum, eine sogenannte „wichtige Frage“ zu stellen. Die Frage, die Watson und seine Kollegen damals stellten, war: Wie ließe sich dieses Problem (die Entdeckung der DNA-Struktur) lösen? Tatsächlich war die Technologie zu diesem Zeitpunkt bereits ausgereift und von der Lösung des DNA-Strukturproblems waren es nur noch wenige Schritte. Aber damals wussten nicht viele Leute, dass sie diese Frage stellen sollten.

03 Beiträge von Watson und Crick

Ye Shuisong: Welchen Beitrag haben James Watson, Francis Crick, Rosalind Franklin und andere zur Doppelhelixstruktur der DNA geleistet?

Ji Maoye: Zu den wissenschaftlichen Vorgängern der jüngeren Generation, die Genetik und Molekularbiologie studieren, zählen Watson, Crick, Rosalind Franklin, Maurice Wilkins, Everett und Linus Pauling. Ich denke, ihre Beiträge sind sehr wichtig. Aber auch ich habe mein eigenes Urteil über die damaligen Ereignisse. Diese Urteile beinhalten von Watson bereitgestellte Informationen und mein eigenes professionelles Urteil. Ich denke, der Begriff „DNA-Doppelhelix“ vereinfacht das DNA-Molekül zu sehr. Zum Thema Doppelhelix gibt es mindestens drei wichtige Punkte.

Von links nach rechts: Crick, Watson, Wilkins

Franklin

Erstens ist die DNA eine Doppelhelix, was ihre chemische Struktur darstellt, und ihre Form im wissenschaftlichen Sinne ist eine Doppelhelix.

Der zweite Punkt ist, dass es sich tatsächlich nicht nur um eine Doppelhelix handelt, sondern um einen Träger von genetischem Material und genetischen Informationen, die von Generation zu Generation weitergegeben werden. Alle anderen biologischen Makromoleküle und biologischen Substanzen haben jedoch nicht die Funktion, von Generation zu Generation weitergegeben zu werden. DNA ist also ein Informationsträger.

Neben der Doppelhelixform ist auch die Informationskodierung wichtig. Die Informationskodierung enthält A-, T-, G- und C-Paarungen und die Informationen der beiden Stränge sind komplementär. Wenn man die Informationen zu einem Strang kennt, ist der zweite Strang natürlich klar.

Drittens hat die Paarung von A, T, G und C keinen geometrischen Einfluss auf das Gesamterscheinungsbild. Damals machten nur Watson und Crick diese drei Punkte völlig klar.

Und was noch wichtiger ist: DNA ist ein genetisches Material, dessen Funktion darin besteht, von Generation zu Generation weitergegeben zu werden. Es ist dafür verantwortlich, den Informationscode der Kombination aus A, T, G und C zu kopieren und an die nächste Generation weiterzugeben. In diesem Zusammenhang kommen Watson als Biologe natürlich diese Fragen in den Sinn. Wenn wir DNA jedoch nur als chemische Struktur betrachten, ist das gesamte Problem nicht wirklich gelöst. Wichtiger sind die darin kodierten Informationen.

Lassen Sie mich Ihnen einige weitere Einzelheiten nennen. Watson und seine Kollegen kannten die Doppelhelixstruktur bereits im Februar 1953, hatten die Arbeit jedoch noch nicht vollständig abgeschlossen.

Erst am 28. Februar gegen 10 Uhr morgens schnitt Watson in seiner eigenen Wohnung aus Pappe ein Modell aus und rekonstruierte die chemische Struktur von A, T, G und C. Er stellte fest, dass die Formen der A-T- und der G-C-Paarung genau gleich waren und weder eine Ausbeulung noch eine Einkerbung der Doppelhelix auf einer Seite verursachten. Damals entdeckte er das Prinzip der Basenpaarung.

Crick kam nach zehn Uhr, und Watson zeigte es Crick und sagte: „Ich habe dieses Prinzip entdeckt!“ Crick war damals sehr aufgeregt. Bis zu diesem Zeitpunkt ist die Doppelhelix vollständig. Die beiden haben eine sehr berühmte Geschichte. Als Crick an diesem Tag zum Abendessen in die Eagle Bar in Cambridge ging, verkündete er laut: „Ich habe das Geheimnis des Lebens entdeckt!“

04 Die Doppelhelix fehlt

Ji Maoye: Es gibt noch ein weiteres Detail. Dieser Artikel (Papier von 1953) wurde zuerst mit Watson und dann mit Crick unterzeichnet. Dieses Modell ist in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auch als „Watson-Crick-Modell“ bekannt. Warum steht Watsons Name zuerst und Cricks Name zuletzt? Der Grund hierfür liegt darin, dass Cricks Arbeit darin bestand, aus dem Foto von Rosalind Franklin auf die Doppelhelixstruktur der DNA zu schließen, während Watsons Arbeit darin bestand, die Basenpaarung zu entdecken, die eigentlich wichtiger ist.

Aber Rosalind Franklin und Linus Pauling am Caltech betrachteten die DNA lediglich als ein chemisches Problem. Als Watson und seine Kollegen den von Pauling veröffentlichten Artikel lasen, stellten sie fest, dass Pauling behauptete, „DNA sei eine Dreifachhelix“, und dachten sofort, das sei falsch. Denn für sie ist es ein sehr wichtiges Thema, wie man die Informationen in der DNA kopiert und repliziert und wie man sie in Maßen öffnet und schließt. Wenn sich die von ihnen vorgeschlagene Struktur nicht kontrolliert öffnen und schließen lässt, um die Erstellung von Kopien des genetischen Codes zu ermöglichen, dann muss sie falsch sein.

Paulings Vorschlag der Dreifachhelix veranschaulicht perfekt, dass „DNA ein Molekül mit sehr einzigartigen Funktionen in den Biowissenschaften ist.“ Wären Biologen nicht beteiligt, würden Physiker und Chemiker lange brauchen, um das herauszufinden. Denn sie berücksichtigen nicht die Funktion genetischer Informationen, die angeordnet und kombiniert, in Maßen geöffnet und geschlossen und jederzeit kopiert und repliziert werden können. Watson erzählte mir auch, dass Rosalind Franklin eine reine Chemikerin und Physikerin war. Ihr akademischer Stil war sehr streng. Sie weigerte sich, über Daten zu spekulieren. Sie wollte, dass die Daten „sprechen“. Wenn die Daten nicht „sprachen“, konnte sie nicht erraten, was es war. Ich denke, das ist der größte Unterschied zwischen Watson, Crick und Franklin.

Watson, Crick und andere wussten, dass sie „Fragen mit Antworten beantworten“ sollten. Watson wusste schon sehr früh, dass DNA das genetische Material ist, aber erst am Morgen des 28. Februar schlossen sie ihre Forschungen zur DNA-Struktur ab, als Watson das Puzzle aus A, T, G und C im Alleingang löste, ohne das Aussehen und die Integrität der Doppelhelix zu zerstören.

Ye Shuisong: Lassen Sie uns über Franklins Beitrag sprechen. Sie erstellte im Januar 1951 das Röntgenbeugungsmuster der DNA. Einige Forscher sagten auch, dass sie zu diesem Zeitpunkt bereits wusste, dass die DNA eine Doppelhelix ist. Aber sie war Chemikerin. Bedeutete das, dass sie die Bedeutung der DNA-Struktur nicht besonders verstand?

Ji Maoye: Wilkins, Watson und Crick teilten sich den Nobelpreis 1962. Was dieses Foto (Foto Nr. 51) und diese historischen Details betrifft, so ist die Hauptsache, dass Wilkins und Franklin Kollegen waren und es große Konflikte zwischen ihnen gab. Es war Wilkins, der Watson dieses Foto zeigte, als er nach London reiste.

Foto Nr. 51

Im Flugzeug von Suzhou nach Peking im Jahr 2010 verriet mir Watson persönlich ein Detail. Er sagte, dass „Foto Nr. 51“ „mindestens acht Monate lang“ in Franklins Schublade gelegen habe! Watson sagte mir, er finde es „erstaunlich“, dass ein so wichtiges Foto acht Monate lang in Franklins Schublade gelegen habe, ohne dass etwas unternommen worden sei oder weitere Arbeiten daran vorgenommen worden seien.

Wenn das stimmt, was Watson mir erzählt hat, kann ich daraus schließen, dass Franklin zumindest damals die Bedeutung des Fotos nicht erkannte oder dass sie dachte, es sei nicht perfekt genug. Franklin veröffentlichte den Artikel 1953 zusammen mit Wilkins und anderen auf Drängen von Watson und anderen, ihren Artikel zu veröffentlichen. Zuvor hatte Franklin geschwiegen und sein Forschungsteam hatte die Frage der DNA als Spirale aufgegeben.

05 Ist die Identität des Entdeckers der Doppelhelix umstritten?

Ye Shuisong: Sie hatten sehr engen Kontakt mit Watson. Ich frage mich, was er zu Ihnen gesagt hat, als er über dieses vergangene Ereignis sprach?

Ji Maoye: Jetzt gibt es im Internet, ob in China oder im Westen, eine Stimme, die „nach Gerechtigkeit“ für Franklin schreit. Ich glaube jedoch, dass dies das vorliegende Problem nicht wirklich löst. Ich denke, dass man sehr fundierte Fachkenntnisse in DNA, Chemie und Biologie braucht, um dieses Problem wirklich zu verstehen. Viele Menschen haben Mitleid mit Franklin, weil sie der Meinung sind, dass Frauen im sozialen Umfeld der 1950er Jahre eine benachteiligte Stellung hatten. Das kann ich sehr gut verstehen.

Doch tatsächlich gehörten auch Watson und Crick damals zur benachteiligten Gruppe. Vielleicht verstehen viele Menschen in China diesen Punkt nicht. Sie glauben, dass Amerikaner mit einer sehr arroganten Haltung nach Großbritannien und Europa reisen. Tatsächlich ist dies überhaupt nicht der Fall. Watson stammt aus einer nicht wohlhabenden Familie und hat selbst keinen Abschluss an einer renommierten Schule gemacht. Als er nach Großbritannien ging, musste er sich bis zu einem gewissen Grad „bescheiden verhalten“. Als Watson nach Großbritannien ging, war er extrem arm. Nur mit Hilfe eines mehrmonatigen Stipendiums der National Science Foundation der Vereinigten Staaten war es ihm möglich, im Cavendish Laboratory in Großbritannien zu bleiben und einige Monate mit Crick „abzuhängen“.

Aus sozialer, medizinischer und wissenschaftlicher Sicht musste er damals „einen niedrigen Stellenwert wahren“. Im Labor wurden die beiden oft vom Laborleiter William Lawrence Bragg gescholten. Nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs wechselte Crick von der Physik zur Biologie, um Hämoglobin zu untersuchen, erzielte jedoch keine Ergebnisse. Auch frühere Untersuchungen zur Viskosität und Strömungsdynamik von Flüssigkeiten führten zu keinem Ergebnis.

Einer war ein 36-jähriger Doktorand, der andere ein junger, ausgegrenzter, armer Junge vom Land. Beide wurden in einem Raum am Ende des Korridors im Cavendish-Labor untergebracht. Sie waren eine völlig benachteiligte Gruppe. Tatsächlich glaube ich, dass manche Menschen in der heutigen Gesellschaft ihre eigenen Erkenntnisse und Spekulationen hinzufügen würden, als ob Watson und Crick Franklin „schikaniert“ hätten. Tatsächlich hatten Crick und Franklin immer ein gutes Verhältnis, und ihr Verhältnis blieb auch nach der Veröffentlichung des Artikels am 25. April gut. Watsons Verhältnis zu Franklin verbesserte sich später und sie konnten höflich miteinander auskommen. Wenn Franklin gedacht hätte, dass die beiden Typen ihre Sachen auf sehr unehrliche Weise „gestohlen“ hätten, dann hätten diese Leute niemals eine so freundschaftliche Beziehung zu ihr gepflegt.

06 Die Bedeutung der Entdeckung der DNA-Doppelhelix

Ye Shuisong: Können Sie die Entdeckung dieser Struktur und ihren Beitrag zur nachfolgenden Entwicklung der Biowissenschaften bewerten? Zum Beispiel Gentechnik, Genomik und Genom-Editierung.

Ji Maoye: Ich denke, die bedeutende Entdeckung der DNA-Doppelhelix kann als ein „entscheidender Moment“ der Geschichte bezeichnet werden. Von da an wurde die Biologie zu einer Informationswissenschaft.

Außerdem hatten sie, wie Crick sagte, „das Geheimnis des Lebens“ entdeckt. Ich glaube, dass die Entdeckung der DNA-Doppelhelix das Verständnis der Menschheit für die Natur des Lebens auf ein beispielloses Niveau gehoben hat. Es stellt sich heraus, dass unser Leben durch „Sprache“ (genetische Sprache) kodiert ist. Ich finde das sehr erstaunlich. Zumindest ist alles Leben auf unserem Planeten, von Viren über Bakterien, Pflanzen, Tiere bis hin zu den intelligentesten Lebewesen – den Menschen – in derselben „Sprache“ geschrieben. Alle Lebewesen auf der Erde sind vollkommen vereint. Wir sind unterschiedliche Werke, die in derselben „Sprache“ geschrieben sind.

Darwins Evolutionstheorie war damals auf das Tier- bzw. Pflanzenreich beschränkt und ihr Anwendungsbereich war nicht sehr groß. Die Bedeutung der Entdeckung der Doppelhelix liegt darin, dass sich unser Verständnis vom Leben seitdem verändert hat. Wir haben eine philosophische Ebene erreicht. Das ganze Leben ist in derselben „Sprache“ geschrieben. Ich habe einmal in einem Interview gesagt, dass wir Menschen als wandelnde „Fäden“ mit drei Milliarden Codes gewissermaßen planbar seien. Sie, ich und jeder andere Mensch auf der Welt bestehen aus DNA-Sequenzen.

Daher kann das Leben auf eine abstrakte Ebene gelangen, und darin liegt die Bedeutung der Entdeckung der Doppelhelix. Die Doppelhelix hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf unsere heutige Gesellschaft auf technischer, medizinischer, forensischer und sozialer Ebene und wirkt sich weiterhin auf Ästhetik und Kunst aus.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Team/Autor: Deep Science

Gutachter: Tao Ning, Assoziierter Forscher, Institut für Biophysik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.