سرگذشت DNA

در ذهن اکثر افراد این تصور به طور مبهمی نقش بسته است که حروف DNA به گونه‌ای، از اهمیت برخوردارند، و حتی بعضی افراد می‌دانند که این سه حرف مخفف کلمات عبارت اسید دزوکسی ریبونوکلئیک هستند. اما معدودند افراد غیر‌دانشمندی که از اهمیت واقعی ماده‌ای که چنین نام دهان پرکنی دارد مطلع باشند. در واقع، شناخت ساختار مولکولی و نقش زیست شناختی آن را راز حیات خوانده‌اند. در سال 1962 میلادی، جیمز واتسن، فرانسیس کریک، و موریس ویلکینز مشترکاً جایزه‌ی نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را به خاطر پژوهش‌هایشان که به کشف ساختار DNA منجر شد برنده شدند. واتسن، زیست شناس بود. کریک، فیزیک‌دان بود. و ویلکینز متخصص بلورنگاری با پرتو ایکس بود. جزئیات کارشان در هر کتاب درسی شیمی آلی و زیست شیمی شرح داده شده است؛ اما در هیچ یک از این کتاب‌ها از تصادفی که شیمی‌دانی در آن نقش داشت، و کلید موفقیتی بود که به دریافت جایزه‌ی نوبل آنان انجامید، ذکری به میان نیامده است. خود واتسن در شرح مهیجی که تحت عنوان مارپیچ مضاعف از این اکتشاف نوشته، این اتفاق تصادفی را نقل کرده است. عنوان کتاب او بیان‌گر ساختار این مولکول حیاتی است.
جیمز واتسن، دکترای زیست شناسی خود را در سال 1950 میلادی از دانشگاه ایندیانا (امریکا) در حالی که تنها بیست و دو سال داشت گرفت. برای مطالعات و پژوهش‌های فوق دکترا به اروپا رفت، و در سال دوم اقامتش در آن‌جا، در آزمایشگاه سِر لارنس براگ در دانشگاه کیمبریج (انگلستان) به کار مشغول شد. براگ به سبب استفاده از پرتوهای ایکس برای تعیین ساختار بلورها، در سال 1915 برنده‌ی جایزه‌ی نوبل شده بود. در کیمبریج، واتسن اکثر اوقات خود را به همکاری با فرانسیس کریک، فیزیک‌دانی پر نبوغ و تا حدی غیر عادی، می‌گذراند. این دو تصمیم گرفتند که فقط برای بردن جایزه‌ی نوبل، اطلاعاتی را که از دو رشته‌ی مختلف خود داشتند روی هم گذارند و معمای DNA را حل کنند.
آنان از روش لاینوس پائولینگ، که ساختار مارپیچ آلفا را برای پروتئین‌ها کشف کرده بود (آرایش مارپیچ راست‌گردان خطی که اتم‌ها در این مولکول‌های بزرگ دارند) پیروی کردند. پائولینگ در سال 1954 میلادی، جایزه‌ی نوبل را به دلیل همین پژوهش‌ها برنده شد، و واتسن و کریک از سال 1952 پیش بینی می‌کردند که چنین شود. روش پائولینگ تکیه بر قوانین شیمی ساختاری (که بسیاری از آن‌ها را خود او پایه گذاری کرده بود) و به کارگیری آن‌ها در ماکت‌هایی از پروتئین‌ها بود که ظاهراً به اسباب بازی‌های بچه‌های کودکستانی شباهت داشتند. اما ماکت‌های پائولینگ به نحوی طراحی شده بودند که با اندازه‌ها و شکل‌هایی که از تصاویر پرتونگاریِ بلورها استنتاج می‌شدند سازگاری داشتند.
از پیش معلوم شده بود که DNA مولکول بسیار بزرگی مانند پروتئین‌هاست و داده‌هایی که با پرتو ایکس به دست آمده بود امکان وجود ساختار مارپیچی را رد نمی‌کرد. بهترین داده‌هایی که واتسن و کریک می‌توانستند با پرتو ایکس به دست آورند در آزمایشگاه موریس ویلکینز در کینگز کالج، که بخشی از دانشگاه لندن بود، تهیه می‌شد. این تصاویر نتیجه‌ی همکاری روزالیند فرانکلین و ویلکینز بود. مولکول‌های پروتئینی از چندین واحد اسید آمینه (یا منومر، مشتق از معادل یونانی «پاره‌های تکی» یا «تکپار») تشکیل شده‌اند، که از اجتماع آن‌ها مولکولی بزرگ یا پلیمر (معادل یونانی «پاره‌های بسیار» یا «بسپار») به دست می‌آید. تا سال 1952، تجزیه و تحلیل DNA نشان داده بود که DNA نیز بسپاری است که از بیش از یک نوع تکپار تشکیل شده است. این واحدهای تکپار تکرار شونده از دزوکسی ریبوز (نوعی قند)، اسید فسفریک، و یکی از چهار باز آلی مختلف – گوانین، سیتوزین، ادنین، و تیمین – تشکیل می‌شوند.

یکی از قرائنی که واتسن و کریک را به حل معمای DNA راهنمایی کرد مشاهده‌ای بود که شیمی‌دان اتریشی الاصل به نام اروین شارگاف در دانشگاه کلمبیا کرده بود. شارگاف گزارش داد که در بررسی‌هایی که او در موجودات زنده‌ی گوناگونی انجام داده است همواره بین گوانین و سیتوزین، و بین ادنین و تیمین، تناظری یک به یک وجود دارد. به عبارتی دیگر، مقدار گوانین همیشه با مقدار سیتوزین، و مقدار ادنین همیشه با مقدار تیمین برابر است. واتسن و کریک، مدلی از DNA ابداع کردند که در آن دو مارپیچ متشکل از واحدهای دزوکسی ریبوز و اسید فسفریک در بیرون قرار می‌گرفتند که به نحوی از طریق بازهای آلی وسط این مارپیچ مضاعف به یک‌دیگر متصل می‌شدند. آنان تصمیم داشتند از ماکت‌های اجزای سازنده‌ای که در کارگاه تراش‌کاری آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کیمبریج تهیه شده بود استفاده کنند، و قطعات ماکت را به نحوی در کنار هم قرار دهند که با اندازه‌گیری‌هایی که از تصاویر پرتو ایکس بلورهای DNA به دست آمده بودند منطبق باشد. واتسن در مدتی که منتظر بود تا تراش‌کارها واحدهای فلزی ماکت را بسازند خود را با نقاشی‌های بازها و ساختن ماکت‌های مقوایی سرگرم کرد. او به این نتیجه رسید که بازها، که به اجزای تکرار شونده‌ی منظم قسمت بیرونی مارپیچ‌های مولکول پلیمری یا بسپاری متصل بودند به نحوی مارپیچ‌ها را از طریق پیوندهای هیدروژنی بین جفت بازهای مشابه به یک دیگر متصل می‌کردند. (جفت بازهای مشابه یعنی گوانین با گوانین، سیتوزین با سیتوزین، و الی آخر.)
پیوندهای هیدروژنی نوعی پیوند با اتصال شیمیایی بین اتم‌ها هستند که مولکول‌هایی را نظیر بازهای موجود در DNA به یک‌دیگر متصل نگه می‌دارند. مولکول‌های آب نیز از طریق پیوندهای هیدروژنی، گروه گروه به یک‌دیگر متصل می‌شوند؛ به همین جهت، اندازه‌ی مولکولی مؤثر آب بسیار بزرگ‌تر و فرّار بودن آن بسیار کم‌تر از موقعی است که به صورت مولکول‌های منفرد H2O باشد. اگر چنین نبود، در دنیای بسیار متفاونی زندگی می‌کردیم – هیچ آب مایعی بر سطح سیاره‌ی ما یافت نمی‌شد!
اما واتسن می‌دانست که بازهای DNA به شکل‌های توتومری مختلفی وجود دارند، و این بدان معناست که ممکن است اتم هیدروژنی که در تشکیل پیوند نقش دارد در مولکول باز موقعیت‌های مختلفی داشته باشد. واتسن از فرمول‌های یکی از کتاب‌های آن زمان استفاده کرد که به نظر او اتم‌های هیدروژن بازها را در موقعیت صحیحشان قرار می‌داد، و بخش‌هایی از مارپیچ‌ها را با پیوندهای هیدروژنی بین بازها به صورت جفت بازهای مشابه به یک‌دیگر متصل می‌کرد. مدلی که به این ترتیب به دست آمد تا حدی رضایت واتسن را جلب کرد و علت آن این بود که در آن برای توضیح فرایند همانند سازی که در ژن‌ها شناخته شده بود راهی می‌دید. اما از طرف دیگر با ابعاد مولکولی که از داده‌های پرتو ایکس نتیجه گرفته می‌شد، یا قانون شارگاف در باره‌ی جفت شدن گوانین با سیتوزین و ادنین با تیمین، سازگاری نداشت. گرچه واتسن کمی از ساختار پیشنهادی خود ناخشنود بود، اما به دلیل عجله در سبقت گرفتن از لاینوس پائولینگ و دیگران در رسیدن به جایزه‌ی نوبل، نامه‌ای برای یکی از همکارانش فرستاد که در آن ادعا می‌کرد: «اخیراً ساختار زیبایی برای DNA ابداع کرده‌ام.» هنوز یک ساعت از ارسال نامه نگذشته بود که واتسن در دفترش با جری داناهیو که امریکایی و متخصص در شیمی فیزیک و بلورنگاری بود مواجه شد و نظریه‌اش را برای او تعریف کرد. از قضا داناهیو در آن هنگام هم دفتر واتسن و کریک بود. داناهیو بلافاصله آب پاکی را روی دست واتسن ریخت و ساختار ابداعی‌اش را رد کرد: به گفته‌ی او واتسن در پیوندهای هیدروژنی که زنجیره‌های مارپیچ را به یک‌دیگر متصل می‌کردند از شکل‌های توتومری نادرست استفاده کرده بود. واتسن اعتراض کرد که نه تنها در مرجع او، بلکه در کتاب‌های دیگر نیز تصویر بازها به همان شکل توتومری که او استفاده کرده بود وجود داشتند. داناهیو جواب داد که سال‌ها بود که شکل‌های توتومری نادرستی در کتاب‌ها چاپ می‌شدند بدون آن که قرائن محکمی برای تأیید آن‌ها وجود داشته باشد. چون داناهیو در انستیتو تکنولوژی کالیفرنیا (دانشگاهی که پائولینگ در آن تدریس می‌کرد) با استفاده از پرتو ایکس به مطالعه‌ی بلورهای مولکول‌هایی نظیر بازهای DNA پرداخته بود، وقتی به واتسن گفت از فرمول‌های نادرستی استفاده کرده است، در این زمینه صاحب نظر بود.
واتسن به پشت میزش بازگشت و ماکت‌های مقوایی جدیدی را بر اساس فرمول‌های توتومری دیگر (که به گفته‌ی داناهیو صحیح بودند) درست کرد. در این‌جا بود که دریافت بازها اصلاً با یک‌دیگر جفت نمی‌شوند! وقتی ساختاری را که با راهنمایی داناهیو اصلاح کرده بود به کریک نشان داد، کریک نیز متوجه شد که به هیچ وجه با ابعاد محاسبه شده بر اساس پرتو ایکس مطابقت ندارد، و قانون شارگاف را هم ارضا نمی‌کند. آن شب واتسن در کمال دل‌سردی به منزل بازگشت، اما صبح زود روز بعد به سرِ کارش آمد. واتسن در کتاب مارپیچ مضاعف شرح می‌دهد که پس از آن چه شد: «وقتی صبح روز بعد به دفتر خالی‌مان رسیدم، بی‌درنگ کاغذها را از روی میزم جمع کردم تا سطح صاف و وسیعی داشته باشم تا بازهایی را که با پیوند هیدروژنی به یک‌دیگر متصل می‌شدند با هم جفت کنم. گرچه در آغاز از تعصبِ به کارگیری جفت بازهای مشابه دست نمی‌کشیدم، اما برایم روشن شد راه به جایی نمی‌برند. هنگامی که جری به دفتر آمد سرم را بالا کردم و وقتی متوجه شدم فرانسیس نیست بازها را به صورت جفت‌های دیگری جا به جا کردم. ناگهان متوجه شدم که شکل جفت ادنین-تیمین (A-T) که با دو پیوند هیدروژنی به یک‌دیگر متصل شده باشند درست شبیه به شکل گوانین-سیتوزین (G-C) است که با دست کم دو پیوند هیدروژنی به هم وصل شده باشند. به نظر می‌رسید که همه‌ی پیوندهای هیدروژنی به طور طبیعی تشکیل می‌شدند: لازم نبود برای یک‌سان شدن شکل دو نوع جفت باز چیزی جا به جا شود. بلافاصله جری را صدا زدم تا بپرسم آیا این بار هم با جفت بارهای جدیدی که درست کرده‌ام مخالفتی دارد یا نه. وقتی پاسخِ منفی داد روحیه پیدا کردم، چون حدس می‌زدم دیگر به پاسخ معما دست یافته باشم.»
او بعدها اضافه کرد: «ابتکارمان از نظر زیبا شناختی هم جلوه‌ی خاصی داشت. چنین ساختار زیبایی حتماً باید درست بوده باشد.» واتسن و کریک سریعاً مقاله‌ی کوتاهی برای مجله‌ی نیچر فرستادند. مقاله‌ی آنان با این جمله‌ی متواضعانه آغاز می‌شود: «در این‌جا قصد داریم برای نمک اسید دزوکسی ریبونوکلئیک (DNA) ساختاری پیشنهاد کنیم. این ساختار ویژگی‌های نوینی دارد که از لحاظ زیست شناختی قابل توجه است.» شاید این جمله‌ی دوم را بتوان یکی از بهترین نمونه‌های مکتوب فروتنی دانست. واتسن در اواخر کتاب خود می‌نویسد: «گرچه مزیت پیش بینی نشده‌ی هم‌دفتر بودن جری با فرانسیس و من بر همه روشن بود، کسی در باره‌ی آن صحبتی نکرد. اگر او با ما در کیمبریج نبود شاید هنوز هم با ساختار جفت بازهای مشابه سر و کله می‌زدم.»