עמוד הבית > מדעים > ביולוגיה > גנטיקה
ספרית מעריב


תקציר
הדגם הכללי של הדנ"א המקובל עתה הוצג לראשונה ב-1953 על-ידי פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון. הדגם  בנוי למעשה משני גדילים סלילוניים הנמשכים בכיוונים מנוגדים, "ראש אל זנב". זהו "הסליל הכפול" המפורסם.



הגן הלכה למעשה : מבנה הדנ"א
מחבר: קולין טאג'


שוב נתחיל את סיפורנו באמצע: הדגם הכללי של הדנ"א המקובל עתה הוצג לראשונה ב-1953 על-ידי פיסיקאי אנגלי שנעשה ביולוג, פרנסיס קריק, וכימאי אמריקני צעיר, ג'יימס ווטסון, שעבדו ביחד בקיימברידג' שבאנגליה. קריק ווטסון היו אנשי הסינתזה הגדולה: כוחם היה יפה לא בביצוע ניסויים חשובים, או באיסוף נתונים מכריעים, אלא בהסברת התוצאות שקיבלו אחרים.

הנתונים ששימשו אותם בסינתזה של הדגם שלהם באו תחילה מן הכימיה - האנליטית והפיסיקלית - ואחר-כך מן הניסיונות לתאר ולמדוד במישרין את המבנה הפיסי של מולקולת הדנ"א, הן במיקרוסקופ אלקטרוני והן – זו היתה השיטה החשובה מכול - בקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן.

כבר עברנו על הממצאים הכימיים הראשונים: הדנ"א בנוי מגדילים של נוקליאוטידים. שתי עבודות יוצאות מן הכלל בכימיה, שנעשו אחרי מלחמת העולם השנייה, העשירו את התמונה לאין שיעור. תחילה, ב-1953, הראה הכימאי הבריטי אלכסנדר טוד שהנוקליאוטידים מחוברים זה לזה באמצעות הזרחות. למעשה, הזרחות מקשרות בין הדאוקסיריבוזות בנוקליאוטידים שכנים - ותמיד הן מחברות את הפחמן מספר 3 בבסיס אחד לפחמן מספר 5 בבסיס הבא (כמתואר בתרשים 2.2). תצפית זו חשובה בעיקר משום שהיא אוכפת הגבלות: היא מראה אילו צורות אין מולקולת הדנ"א יכולה לקבל.

תרשים 2.2: הסליל הכפול: מבנה הדנ"א
המאקרומולקולות של הדנ"א בנויות משני גדילים מסולסלים הנמשכים בכיוונים מנוגדים, ואלה מתקשרים זה לזה על-ידי קשרים בין "זוגות בסיסים": ציטוזין (C) עם גואנין (G), ואדנין (A) עם תימין (T). הציור הימני מציג את הקשר גואנין-ציטוזין. (נ"מ מציין נאנומטר, מיליונית המילימטר.)

תצפיות שנערכו במקומות אחרים חשפו דקויות בפרופורציות בין ארבעת הבסיסים בדנ"א. הביוכימאים בני הדור הקודם הניחו כי כל ארבעת הסוגים - C,G,A ו-T - נוכחים בכמויות שוות: במלים אחרות, הדנ"א הוא סתם פולימר משעמם, כמו הפוליאתילן; גדילים ארוכים של יחידות זהות. אבל אחרי מלחמת העולם השנייה התברר שארבעת הבסיסים אינם קיימים בכמויות שוות, ומכאן שהדנ"א אינו דומה לפוליאתילן. יתר על כן - וזה היה ממצא מסקרן מאין כמוהו - הפרופורציות של ארבעת הנוקליאוטידים בדנ"א שונות במינים ביולוגיים שונים.

אחר-כך, בשנות ה-40, בא ארווין שרגף, ביוכימאי אוסטרי שעבד באוניברסיטת קולומביה בניו-יורק, והוסיף עוד נדבך חשוב מאין כמוהו. הוא הראה כי בלי להתחשב בכמויות הכוללות של ארבעת הבסיסים, כמות ה-A שווה תמיד לכמות ה-T, וכמות ה-C שווה תמיד לכמות ה-G. יכולות להיות לכך כמה סיבות שאין בהן אף שמץ של עניין, אבל הסיבה האמיתית דווקא מעניינת מאוד - כפי שהתברר בתחילת שנות ה-50, וכפי שיוסבר באחת הפסקאות הבאות.

מעבר לכך, מדעני המאה העשרים הלכו ושיפרו את יכולתם לחקור במישרין את המבנה של מולקולות מסובכות. המיקרוסקופ האלקטרוני, שנכנס לשימוש כללי אחרי מלחמת העולם השנייה, הראה שמולקולות הדנ"א נראות כמו חוטים: אורכן מגיע לאלפים רבים של אנגסטרמים, אבל עובין הוא רק עשרים אנגסטרם (אנגסטרם הוא עשירית מיליונית המילימטר). הואיל ועובים של נוקליאוטידים יחידים הוא רק 3 אנגסטרמים, ברור שהם מצויים בדנ"א באלפיהם.

אבל השיטה המכרעת היתה הקריסטלוגרפיה בקרני רנטגן, שפותחה באנגליה מאז תחילת מלחמת העולם הראשונה על-ידי ויליאם ברג ואחריו בנו לורנס, ועליה זכו שניהם בפרס נובל. הרעיון הכללי הוא לעמוד על מערך האטומים בגבישים באמצעות קרני רנטגן ששוגרו לעברם. האטומים מפזרים את הקרניים, ולפי מתכונת ההשתברויות (כפי שהיא נקלטת בלוח צילום) אפשר להסיק על מיקום האטומים הללו (על-ידי עריכת החישובים המתאימים). בראשיתה נעשתה העבודה על תרכובות פשוטות מאוד (כגון נתרן כלורי), אבל עוד לפני מלחמת העולם השנייה היה ו' ט' אסטברי מאוניברסיטת לידס בטוח בעצמו די הצורך להתחיל ולטפל כך בדנ"א. קל מאוד לחלץ דנ"א, בשיטות מעבדה מקובלות למדי שכבר הפכו לשגרה, ואז הוא מופיע כמו דבלול של סיבי כותנה. אבל כשמרטיבים אותו הוא נעשה רכרוכי, ואפשר למתוח אותו לחוטים ארוכים שבהם ערוכות המאקרומולקולות במקביל; מערך סדיר, דומה לגביש. אבל הכנת גבישים טובים די הצורך לצפייה בקרני רנטגן איננה עניין של מה בכך, מבחינה טכנית.

השלב האחרון החל אחרי 1949 בקינגס קולג' של אוניברסיטת לונדון, בעבודתם של מוריס וילקינס ורוזלינד פרנקלין, שהשתמשו בדנ"א שהכין רודולף זיגנר בברן. הבחנתם החשובה ביותר היתה שגדילי הדנ"א ערוכים בסליל, כך שהפורינים והפירימידינים בפנים, ועמוד השדרה של סוכר-זרחה בחוץ. הם הראו עוד כי כל פורין ופירימידין תופס 3.4 אנגסטרמים, ושעומקו של כל פיתול בסליל הוא 34 אנגסטרם, כך שיש 10 מולקולות נוקליאוטידיות בכל פיתול. אבל קוטר הסליל (כפי שכבר היה ידוע) היה 20 אנגסטרם - וזה יותר מדי, אם סליל הדנ"א מכיל רק גדיל אחד. אולי הוא מכיל, אם כן, שני גדילים; ואולי (כפי ששיער ליינוס פולינג בשלב מסוים) הוא מכיל שלושה.

היה עוד כיוון חשיבה אחד, מסקרן ביותר: לא ראיה אלא רעיון, שהציגו אותו ב-1940 ליינוס פולינג ומקס דלבריק בקלטק. ייתכן, אמרו, ששכפול הגנים כרוך בפיצול, שבו כל מחצית משמשת כשבלונה ליצירת המחצית המשלימה.

בסופו של דבר, בקיימברידג' ב-1953, גאלו ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק את כל השאר מייסוריהם, כשהציעו דגם שבו המאקרומולקולה של הדנ"א בנויה למעשה משני גדילים סלילוניים הנמשכים בכיוונים מנוגדים, "ראש אל זנב". זהו "הסליל הכפול" המפורסם - הסמל החביב כיום על כל מוסד שיש לו זיקה כלשהי לביולוגיה מולקולרית.

שני גדילי הדנ"א בסליל הכפול מחוברים זה לזה בקשרים כימיים חלשים ("קשרים מימניים") בין הבסיסים הנמתחים במרכז: אדנין בגדיל אחד מתחבר לתימין בגדיל האחר; ציטוזין באחד מתקשר לגואנין באחר. זהו ההסבר לפרופורציה שזיהה שרגף. כלומר, הגדיל האחד משלים את האחר במדויק: אם יש בגדיל אחד רצף בסיסים מעין זה, CATTG, חייב להופיע מולו הרצף GTAAC באחר. בעיקרון, אם כי לא בפרטים, כמובן, זהו אותו מנגנון פחות או יותר שהציעו יותר מעשר שנים לפני כן פולינג ודלבריק.

ווטסון וקריק תיארו את חזון הדנ"א המרהיב שלהם בביטאון המדעי הבינלאומי Nature ב-1953. מאמרם הכיל 800 מלים בסך-הכול; מצומצם והדוק כמו סונטה. הוא הסתיים במשפט נפלא בתמימותו: "לא נעלם מעינינו שהזיווג המסוים שהצענו [בין A ל-G, T ל-C] ומעלה מיד על הדעת מנגנון אפשרי להעתקת החומר הגנטי."1

זו היתה נקודת המפנה. הביולוגיה המולקולרית וכל הנובע ממנה (בכלל זה "הנדסה גנטית", זיהוי משפטי באמצעות דנ"א וכל השאר) החלו כאן. קריק, ווטסון ווילקינס חלקו ביניהם את פרס נובל לרפואה ב-1962 (רוזלינד פרנקלין מצאה את מותה הטרגי בגיל צעיר מאוד, ב-1958).

אבל המדע לעולם אינו קופא על שמריו. לאחר שהוברר מבנה הדנ"א (אם כי ה"הוכחה" הסופית ניתנה רק כעבור זמן!), התעוררה השאלה הבאה: "כיצד פועל הדנ"א ?"

לפריטים נוספים מתוך הפרק:

הגן הלכה למעשה
הגן הלכה למעשה : מיקרוסקופים וכרומוזומים
הגן הלכה למעשה : כיצד גורם הגן ל"תכונה"?
הגן הלכה למעשה : מהו הגן?
הגן הלכה למעשה : מבנה הדנ"א (פריט זה)
הגן הלכה למעשה : כיצד פועל הדנ"א?
הגן הלכה למעשה : הגנום הסוער
הגן הלכה למעשה : בראשית...

1. J.D. Watson and F.H.C. Crick, "molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid", Nature (vol. 171, 1953),pp. 737-8 "Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid", Nature (vol. 171, 1953) pp 964-7 שעסק בהשלכות הגנטיות של מבנה הדנ"א.

ביבליוגרפיה:
כותר: הגן הלכה למעשה : מבנה הדנ"א
שם  הספר: מהנדס הגן : גנים וגנטיקה : ממושג התורשה עד ליצירת חיים
מחבר: טאג', קולין
תאריך: 1996
הוצאה לאור: ספרית מעריב
הערות: 1. מאנגלית: עמנואל לוטם.
הערות לפריט זה:

1. המאמר הוא חלק מפרק 2 בספר.


הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית