DNA. Historia rewolucji genetycznej - ebook

O AUTORACH

JAMES D. WATSON w latach 1968–1993 był dyrektorem Cold Spring Harbor Laboratory w Nowym Jorku, a obecnie jest jego honorowym kanclerzem (chancellor emeritus). Był pierwszym dyrektorem National Center for Human Genome Research przy National Institutes of Health, którą to funkcję sprawował w latach 1989–1992. Jest członkiem National Academy of Sciences oraz Royal Society. Odznaczony został między innymi Presidential Medal of Freedom i National Medal of Science. W roku 1962 wspólnie z Francisem Crickiem i Maurice’em Wilkinsem otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za odkrycie struktury DNA.

Jest autorem (lub współautorem) następujących książek: Molecular Biology of the Gene (1965, 1970, 1976, współautor: 1987). Wyd. polskie: Biologia molekularna genu, PWN, Warszawa 1975; The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA (1968). Wyd. polskie: Podwójna helisa, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996; The DNA Story: A Documentary History of Gene Cloning (współautor: 1981); Recombinant DNA (współautor: 1983, 1992); Molecular Biology of the Cell (współautor: 1983, 1989, 1994); A Passion for DNA: Genes, Genomes, and Society (2000). Wyd. polskie: DNA pasją mojego życia, Amber, Warszawa 2001; Genes, Girls, and Gamow: After the Double Helix (2001); DNA: The Secret of Life (2003). Wyd. polskie: DNA. Tajemnica życia, CiS/WAB, Warszawa 2004; Avoid Boring People: Lessons from a Life in Science (2009); The Illustrated and Annotated Double Helix (2012); Father to Son: Truth, Reason, and Decency (2014).

ANDREW BERRY jest wykładowcą biologii organicznej i ewolucyjnej na Uniwersytecie Harvarda. Jest też autorem licznych publikacji oraz redaktorem dzieł zebranych Alfreda Russela Wallace’a Infinite Tropics.

KEVIN DAVIES jest autorem The $1,000 Genome i Cracking the Genome. Był wydawcą „Chemical & Engineering News”, a później założycielem i redaktorem naczelnym „Nature Genetics”, magazynu uznawanego za jedno z najlepszych czasopism naukowych poświęconych genetyce i biotechnologii. W roku 2017 otrzymał Guggenheim Fellow.Rok 1953. Francis Crick (po lewej) i ja z naszym modelem podwójnej helisy.

OD AUTORÓW

Idea napisania książki DNA — Tajemnica życia (mówimy na razie o pierwszym wydaniu) zrodziła się w 1999 roku, podczas pewnego obiadu przy okazji dyskusji nad tym, jaki byłby najlepszy sposób uczczenia zbliżającej się pięćdziesiątej rocznicy odkrycia podwójnej helisy. Neilowi Pattersonowi, wydawcy, spodobał się pomysł Jamesa D. Watsona — kompleksowy projekt łączący książkę, serial telewizyjny i dodatkowo rozmaite działania edukacyjne. Obecność Neila nie była przypadkowa, to on bowiem w 1965 opublikował pierwszą książkę JDW, Biologię molekularną genu, i od tamtej pory pojawiał się niczym dżin przy okazji każdej jego pracy. Potem Doron Weber w imieniu Alfred P. Sloan Foundation zadeklarował dotację wystarczającą, by pomysł mógł zacząć przybierać bardziej konkretne kształty. Do stworzenia szczegółowego planu całego projektu wybrany został w roku 2000 Andrew Berry, który wnet podjął regularne podróże pomiędzy Cambridge w Massachusetts a miejscem pracy Watsona — Cold Spring Harbor Laboratory na północy Long Island, w pobliżu Nowego Jorku.

Od samego początku naszym celem było coś więcej niż tylko relacja z przebiegu wydarzeń sprzed pięćdziesięciu laty. W ciągu tego półwiecza DNA przestał być ezoteryczną cząsteczką budzącą zainteresowanie wyłącznie garstki naukowców i znalazł się w epicentrum technologicznych przemian prowadzących do gruntownego przeobrażenia wielu dziedzin życia. Tak głębokie przemiany łączą się zawsze z koniecznością postawienia licznych trudnych pytań dotyczących wpływu zachodzących zmian — pytań o ich konsekwencje praktyczne, społeczne i etyczne. Traktując pięćdziesiątą rocznicę jako okazję do chwili zadumy nad tym, gdzie obecnie się znajdujemy, przedstawiliśmy zarówno wydarzenia historyczne, jak i wszystkie omawiane zagadnienia z naszej — osobistej z oczywistych względów — perspektywy, a ponieważ całą opowieść snuje James Watson, narracja prowadzona jest w pierwszej osobie.

Do drugiego wydania książki, przygotowanego po ponad dziesięciu latach i bardzo zmienionego oraz rozszerzonego, zaprosiliśmy do współpracy Kevina Daviesa, by pomógł nam zrelacjonować znaczące postępy, jakie przez ten czas zaszły w genetyce. W książce znalazły się dwa zupełnie nowe rozdziały — Rozdział 8., Genetyka spersonalizowana, opisujący postępy w technikach sekwencjonowania DNA i to, jakie miało to znaczenie dla komercyjnych i klinicznych zastosowań genetyki, oraz zamykający książkę Rozdział 14. (Rak — niekończąca się wojna?), w którym przyglądamy się postępom w badaniach nad rakiem i nowym genetycznym terapiom oraz próbujemy odpowiedzieć na pytanie, co dzieje się na frontach tej niekończącej się wojny.

Staraliśmy się pisać tę książkę tak, by nawet czytelnik posiadający nikłą wiedzę biologiczną mógł ją bez kłopotu zrozumieć. Wszystkie specjalistyczne terminy wyjaśniamy, gdy pojawiają się po raz pierwszy, a jeśli ktoś będzie chciał dowiedzieć się czegoś więcej, zawsze może sięgnąć do książek wymienionych w zamieszczonej po Codzie liście Lektur zalecanych, obejmującej pozycje powiązane z kolejnymi rozdziałami. Również i w tym miejscu staraliśmy się nie proponować literatury fachowej, tylko naprawdę godne polecenia pozycje popularnonaukowe.

Podziękowania dla ludzi, którzy przyczynili się do realizacji naszego projektu, zamieściliśmy na końcu książki. Czterem osobom winniśmy jednak szczególną wdzięczność. George Andreou, nieziemsko wręcz cierpliwy redaktor z Knopfa, napisał znacznie więcej (i to te lepsze fragmenty książki), niżby którykolwiek z nas zgodził się przyznać. Kiryn Haslinger, nasza nadzwyczajna asystentka z Cold Spring Harbor Laboratory, chwaliła, dokuczała, robiła korektę, wyszukiwała potrzebne materiały, wyłapywała drobne błędy, pełniła funkcję mediatora, a także pisała — wszystkiego po trosze. Bez niej ta książka po prostu by nie powstała. Jan Witkowski, również pracownik CSHL, wykonał świetną robotę, w rekordowo krótkim czasie doprowadzając do porządku Rozdziały 10., 11. i 12., udzielał nam też bardzo cennych wskazówek przez cały czas realizacji projektu. Wreszcie Maureen Berejka, asystentka Watsona, spisała się wyśmienicie i dokonała tego, czego oprócz niej nikt na całym świecie nie byłby w stanie uczynić — zdołała odczytać jego odręczne pismo.

JAMES D. WATSON,

Cold Spring Harbor, Nowy Jork

ANDREW BERRY,

Cambridge, Massachusetts

KEVIN DAVIES

Washington, D.C.WSTĘP

TAJEMNICA ŻYCIA

Jak w każdy sobotni poranek w Laboratorium im. Cavendisha na Uniwersytecie Cambridge znalazłem się przed Francisem Crickiem. To był 28 lutego 1953 roku. Miałem ważny powód, by wcześnie wstać. Wiedziałem, że jesteśmy blisko (choć nie zdawałem sobie sprawy, jak bardzo) odkrycia struktury niezbyt wówczas znanej cząsteczki, zwanej kwasem deoksyrybonukleinowym — DNA. Nie była to jakaś tam byle cząsteczka. Od dawna podejrzewano, że jest ona kluczem do zrozumienia natury żywych organizmów, że przechowuje informację przekazywaną z pokolenia na pokolenie i rozpisuje role w niewiarygodnie złożonym świecie komórki. Mieliśmy nadzieję, że rozszyfrowanie trójwymiarowej struktury DNA, jej molekularnej architektury, pozwoli wejrzeć w to, co Crick na poły tylko żartobliwie nazywał „tajemnicą życia”.

Wiedzieliśmy już, że cząsteczki DNA składają się z licznych kopii podstawowych jednostek — nukleotydów, które występują w czterech formach: adeniny (A), tyminy (T), guaniny (G) i cytozyny (C). Całe poprzednie popołudnie wycinałem z tektury ich modele, a teraz, w ciszy i samotności sobotniego poranka, mogłem bawić się w dopasowywanie fragmentów trójwymiarowej układanki. Jak je złożyć? I nagle dostrzegłem, że doskonale sprawdza się prosty model oparty na łączeniu poszczególnych elementów w pary — A świetnie pasuje do T, a G do C. Czyżby tak właśnie wyglądało rozwiązanie? Czy DNA zbudowany jest z dwóch łańcuchów połączonych przez pary A–T i G–C? To było tak proste i tak eleganckie, że chyba musiało być prawdziwe! Jednak w przeszłości nieraz już się myliłem, więc wolałem, nim ogarnie mnie euforia, poddać mój schemat krytycznemu osądowi Cricka. Czekałem w napięciu.

Jak się okazało, niepotrzebnie się obawiałem. Francis od razu dostrzegł, że pomysł z łączeniem zasad w pary wskazuje na strukturę podwójnej helisy, w której dwie nici cząsteczek biegną w przeciwnych kierunkach. Te łagodne i uporządkowane skręty sprawiły, że wszystko, co wiedzieliśmy o DNA i jego właściwościach — wszystko, z czym się zmagaliśmy, próbując rozwiązać nasz problem — nagle zaczęło układać się w logiczną całość. Co najważniejsze, taka struktura cząsteczki natychmiast podpowiedziała rozwiązania dwóch najstarszych zagadek biologii — jak przechowywana jest informacja oraz jak przebiega jej kopiowanie. Mimo to deklaracje Cricka wygłaszane później w The Eagle (czyli w pubie, w którym zwykle jadaliśmy lunch), że odkryliśmy „tajemnicę życia”, uznałem za dość nieskromne — zwłaszcza jak na Anglię, gdzie powściągliwość zawsze była w cenie.

Crick miał jednak rację. Nasze odkrycie położyło kres staremu jak rodzaj ludzki sporowi o to, czy życie niesie w sobie jakąś magiczną, mistyczną siłę, czy też jak wszystkie inne reakcje chemiczne, choćby te znane ze szkolnych lekcji, jest produktem naturalnych procesów fizycznych i chemicznych. Było to też pytanie o to, czy w jądrze komórki istnieje jakiś boski element, który pobudza ją do życia, i odkrycie podwójnej helisy pozwoliło udzielić na nie zdecydowanie przeczącej odpowiedzi.

Dzięki teorii ewolucji Charlesa Darwina, która ukazała, jak wszystkie elementy życia łączą się ze sobą, nastąpił epokowy przełom i zaczęliśmy wreszcie interpretować świat w materialistycznych, fizykochemicznych kategoriach. Również późniejsze odkrycia Theodora Schwanna i Louisa Pasteura, uczonych z drugiej połowy dziewiętnastego wieku, były ważnymi krokami w tym kierunku. Dowiedli oni, że larwy w gnijącym mięsie nie powstają samoistnie, gdyż ten „cudowny” akt ma czysto biologicznych autorów — w tym przypadku muchy i składane przez nie jaja. I w ten sposób zdyskredytowali ideę samorództwa.

Mimo tych odkryć różne formy witalizmu — wiary, że życia nie da się sprowadzić do procesów fizykochemicznych — nie zmarły od razu śmiercią naturalną. Długo jeszcze wielu biologów, niechętnych uznaniu doboru naturalnego za kluczowy czynnik determinujący ewolucyjny los osobników, tłumacząc ewolucyjne adaptacje, wolało powoływać się raczej na dość mętnie zdefiniowaną „nadrzędną siłę duchową”. Z kolei fizyków, przyzwyczajonych do świata prostego i zredukowanego do form podstawowych — kilku cząstek i kilku sił — pogmatwana złożoność biologii zbijała z tropu; może, zastanawiali się niektórzy z nich, procesy zachodzące w jądrze komórki, te, które kierują życiem na najgłębszym poziomie, wykraczają poza znane prawa fizyki i chemii.

Podwójna helisa była tak ważna dlatego właśnie, że wprowadziła oświeceniową rewolucję i materialistyczne myślenie do świata komórek. Intelektualna wyprawa rozpoczęta, gdy Kopernik odebrał człowiekowi miejsce w centrum Wszechświata, a kontynuowana przez Darwina, który dobitnie uświadomił nam wszystkim, że człowiek jest niczym więcej niż zmodyfikowaną wersją małpy, dotarła do samej istoty życia. Wreszcie okazało się, że naprawdę nie ma w nim — w nas — nic nadprzyrodzonego. Podwójna helisa to struktura nader elegancka, lecz niosąca całkiem prozaiczne przesłanie — życie jest po prostu domeną chemii.

Intelektualne znaczenie naszego odkrycia uchwyciliśmy wraz z Crickiem w lot, nie mieliśmy jednak bladego pojęcia, jak potężny wpływ miało ono wywrzeć na naukę i społeczeństwo. Tymczasem wdzięczne, faliste kształty odkrytej przez nas cząsteczki kryły klucz do biologii molekularnej — nowej nauki, która przez następne sześćdziesiąt lat poczyniła doprawdy zadziwiające postępy i nie tylko umożliwiła zrozumienie imponującej liczby podstawowych procesów biologicznych, ale wywarła też głęboki wpływ na medycynę, rolnictwo, a nawet na wymiar sprawiedliwości. DNA bardzo szybko przestał być wyłącznie obiektem zainteresowania naukowców w białych fartuchach, krzątających się w uniwersyteckich laboratoriach, i stał się czymś, co wpływa na życie każdego z nas.

Do połowy lat sześćdziesiątych udało nam się poznać podstawowe mechanizmy komórkowe. Dowiedzieliśmy się, jak — poprzez „kod genetyczny” — przetłumaczyć czteroliterowy alfabet sekwencji DNA na dwudziestoliterowy alfabet białek. Kolejny przewrót w rozwoju nowej nauki nastąpił w latach siedemdziesiątych XX wieku, kiedy zaczęliśmy stosować techniki manipulowania DNA i odczytywać sekwencje nukleotydów. Nie byliśmy już skazani na oglądanie natury z zewnątrz, mogliśmy przystąpić do rekombinacji DNA żywych organizmów, a nawet spróbować odkryć podstawowy skrypt życia. Przed nauką roztoczyły się nowe, zdumiewające perspektywy — nareszcie zdołamy pokonać choroby o podłożu genetycznym, począwszy od mukowiscydozy, a na nowotworach kończąc; dzięki metodom „genetycznego odcisku palca” zrewolucjonizujemy wymiar sprawiedliwości; wreszcie, badając za pomocą DNA prehistorię, zweryfikujemy naszą wiedzę o pochodzeniu człowieka (i nie tylko) — o tym, kim jesteśmy i skąd przybywamy; udoskonalimy także ważne dla rolnictwa gatunki, osiągając efekty, o jakich dotąd można było tylko marzyć.

Kulminacyjny moment pierwszego pięćdziesięciolecia po odkryciu DNA nastąpił w poniedziałek 26 lipca 2000 roku wraz z ogłoszeniem przez ówczesnego prezydenta Stanów Zjednoczonych Billa Clintona ukończenia prac w ramach Projektu Poznania Genomu Człowieka (Human Genom Project — HGP). „Uczymy się dziś języka, w którym Bóg stworzył życie. Wchodząc w posiadanie tej wiedzy, rodzaj ludzki znalazł się o krok od zdobycia wspaniałej mocy uzdrawiania” — powiedział Clinton.

Dzięki Projektowi Poznania Genomu Człowieka biologia molekularna osiągnęła dojrzałość, stała się „wielką nauką”, z wielkimi pieniędzmi i wielkimi osiągnięciami. HGP był nie tylko nadzwyczajnym osiągnięciem technologicznym (ilość informacji, jaką udało się wydobyć z dwudziestu trzech par ludzkich chromosomów, jest niewyobrażalna), ale także kolejnym etapem w poszukiwaniach istoty człowieczeństwa. To DNA odróżnia nas od innych gatunków, to on czyni nas istotami twórczymi, świadomymi, dominującymi i niszczycielskimi. DNA jest instrukcją obsługi człowieka.

Od tamtego sobotniego poranka w Cambridge znacznie lepiej poznaliśmy kod genetyczny. Jasne jest jednak, że przed biologią molekularną — nauką o funkcjonowaniu i wykorzystywaniu DNA — nadal stoją wielkie wyzwania. Trzeba znaleźć sposoby zwalczania nowotworów; wymyślić skuteczne terapie genowe leczące choroby genetyczne; inżynieria genetyczna powinna też pomóc udoskonalić żywność. To wszystko już powoli się dzieje. Pierwsze sześćdziesiąt lat „rewolucji DNA” to epoka ogromnych postępów w nauce, a także pierwsze udane próby zastosowania tej nowo zdobytej wiedzy do rozwiązywania ludzkich problemów. W przyszłości czeka nas jeszcze bardzo dużo odkryć, ale nie ulega wątpliwości, że wiele z nich wykaże, iż wpływ DNA na nasze życie jest jeszcze większy, niż się tego dziś domyślamy.