عقب‌گرد بر نردبان حیات

اگرچه نزد عموم، نام «جیمز واتسون» و «فرانسیس کریک» اغلب به‌عنوان کاشفان مولکول دي‌ان‌اي به خاطر آورده می‌شود، اما درواقع از زمان کشف این مولکول پیچیده بايد 9 دهه سپری می‌شد تا شرایط احراز کشف دوران‌ساز این دو نیز فراهم آید: اینکه مولکول دي‌ان‌اي، ساختاری نردبانی‌شکل و مارپیچ دارد. اینکه چرا کشف ساختار دي‌ان‌اي اهمیتی هم‌سنگ کشف این مولکول یافت را باید در عقبه‌ای جست که پژوهشگران دیگری نیز در آن نقش‌آفرین بودند. این یادداشت نگاهی به دستاوردهای درخشان سه نفر از این پژوهشگران نسبتا گمنام دارد.
در طول تاریخ اکتشافات زیست‌شناختی، کشف هیچ ساختاری به‌قدر نردبان دي‌ان‌اي و پلکان شیمیایی آن، ما را به ذات حیات - به فصل مشترک هرآنچه تحت عنوان یک «موجود زنده» شناخته می‌شود- نزدیک‌تر نکرده است. ماجرا به اواخر دهه 1870 و زمانی بازمی‌گردد که زیست‌شناسان درصدد تشخیص زمینه شیمیایی بافت‌های سلولی برآمده بودند. در این بین، پژوهش‌های «فردریک مایشر»، زیست‌شیمی‌دان سوئیسی، در دانشکده علوم طبیعی دانشگاه توبینگن آلمان بر تجزیه‌ و تحلیل بافت گلبول‌های سفید خون انسان متمرکز بود. او در ابتدا باندهای چرک‌آلود متعلق به بیمارانی از یک بیمارستان محلی را در محلول آب‌نمک تصفیه می‌کرد و سپس گلبول‌های سفید استخراج‌شده را در معرض حلال‌های زیستی قرار می‌داد تا به مؤلفه‌های شیمیایی‌شان تجزیه شوند.
ازجمله این حلال‌ها، عصاره معده خوک بود. این ترکیب با میزبانی از آنزیم «پپسین»، پروتئین‌ها را هضم می‌کرد و مایشر این فرايند را به دقت از پشت چشمیِ میکروسکوپ زیر نظر داشت. آنچه وی مشاهده کرد، غیرمنتظره بود: پروتئین‌ها به مجرد قرارگیری در معرض این ترکیب حل شدند، اما هسته‌شان دست‌نخورده ماند. گویی هسته از جنسی یکسره متفاوت بود. برای کسب اطمینان از این موضوع، مایشر هسته‌های به‌دست‌آمده را در معرض محلول هیدروکسید سدیم قرار داد و با بررسی رسوبات حاصله متوجه شد عناصر سازنده این ترکیب‌ عبارتند از: هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و مقادیر قابل‌توجهی فسفر.
همین خواص نامتعارف، مایشر را متقاعد کرد که وی موفق به تشخیص ماده غیرپروتئینی جدیدی در ساختار سلول شده که خود آن را «نوکلئین» نامید. اثبات این یافته، مستلزم کسب اطمینان از حضور این ماده در هسته تمام سلول‌ها، اعم از سلول‌های غیرانسانی بود. به همین منظور مایشر از مسیر پژوهش‌های سابقش انشعاب کرد و مصمم شد هسته سلول اسپرم ماهی آزاد را بررسی کند؛ سلولی که بالغ بر 90 درصد حجمش از هسته تشکیل شده است. نتایج این پژوهش از صحت یافته‌های پیشین وی حکایت داشت: نوکلئین در هسته هر سلولی یافت می‌شود.
پرسشی بدیهی که در این مقطع ذهن مایشر را مشغول به خود کرد این بود که آیا نوکلئین نمی‌تواند همان «واحدهای وراثتی» یادشده در چارچوب نظریه ژنتیک مندل باشد؟ اثبات این فرضیه، تعیین سهم نوکلئین از حجم ماده تشکیل‌دهنده سلول را می‌طلبید؛ چراکه در این صورت، سهم نوکلئین از محتوای سلول‌های جنسی بايد نصف این سهم از محتوای باقی سلول‌ها (یا سلول‌های پیکری) باشد.
شاخص مایشر برای ردیابی سهم نوکلئین، میزان فسفر موجود در سلول بود؛ چراکه به نظر می‌رسید هیچ مؤلفه‌ سلولی‌ای جز نوکلئین نمی‌تواند چنین نسبت بالایی از فسفر را درون خود جای داده باشد، که البته چنین نبود. بعدها مشخص شد که چنین نسبت بالایی را در یکی از پروتئین‌های موجود در سیتوپلاسم سلول تخمک، موسوم به «فُس‌ویتین» نیز می‌توان مشاهده کرد. حضور همین عنصر نامطلوب مایشر را به این نتیجه‌گیریِ نادرست واداشت که مقادیر نوکلئینِ موجود در سلول‌های اسپرم و تخمک با یکدیگر برابری نمی‌کنند و بنابراين نمی‌توان این ماده را نماینده واحدهای ژنتیکی دانست.
اشتباه دیگری که در ادامه باعث شد جامعه شیمی‌دانان با وجود کسب موفقیت‌هایی در شناسایی ماهیت نوکلئین، همچنان در انتساب آن به واحدهای ژنتیکی ناکام بمانند را «فوبوس لوِن»، زیست‌شیمی‌دان روسی، مرتکب شد. او به‌درستی پی برد که نوکلئین درواقع یک زنجیره طویل مولکولی (موسوم به «اسید نوکلئیک») است که از واحدهایی موسوم به «نوکلئوتید» تشکیل می‌شود و هر نوکلئوتید نیز عبارت است از ساختاری متشکل از یک باز آلی (از مجموع چهار باز آلی نیتروژن‌دار، تحت عناوین «آدنین»، «تیمین»، «سیتوزین» و «گوانین»)، یک قند پنج‌کربنه (از نوع «دئوکسی‌ریبوز») و یک گروه فسفات. به‌این‌وسیله نام نوکلئین صورتی دقیق‌تر به خود گرفت: «دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید» یا اختصارا دي‌ان‌اي.
درعین‌حال، طرح پیشنهادی لون برای چیدمان اسیدهای نوکلئیکِ تشکیل‌دهنده هسته سلول، برخلاف فرمول پیچیده مولکول DNA، بسیار ساده بود: رشته‌ای منظم و تکرارشونده از هر چهار حالت ممکن مولکول دي‌ان‌اي (به‌ازای هر باز آلی) که وی آن را «طرح تترانوکلئوتیدی» (یا چهارنوکلئوتیدی) نامید؛ چیدمانی که انعطاف شیمیایی کافی برای میزبانی از اطلاعات ژنتیکی یک موجود زنده و شرکت در فرايند توارث را نداشت.
تنها به یمن مطالعات «اروین چارگاف»، زیست‌شیمی‌دان اتریش‌مجارستانی بود که مشخص شد اگرچه سهم بازهای آلیِ رشته دي‌ان‌اي تحت هر شرایطی (اعم از شرایط رژیمی، محیطی یا سنی جاندار) ثابت است، تنها مقادیر آدنین و تیمین از یک سو و سیتوزین و گوانین از سوی دیگر است که با یکدیگر برابری می‌کند؛ به‌‌طوری‌که مقادیر متناسب این دو جفت باز آلی با یکدیگر برابر نیست. این یافته واضح نشان می‌داد که طرح تترانوکلئوتیدی لون، ظرفیت میزبانی از پیچیدگی مولکول مرموز دي‌ان‌اي را ندارد و باید به فکر طرحی دیگر بود؛ طرحی که عاقبت به هيئت نردبانی مارپیچ از آب درآمد.
تنها با نظر به این عقبه پرافت‌وخیز می‌توان دریافت که کشف «واتسون» و «کریک» (که خود به یمن دستاوردهای پژوهشگرانی دیگر اعم از «لینوس پاولینگ» و «روزالین فرانکلین» میسر شد) تا چه حد در احراز هویت حقیقی مولکول دي‌ان‌اي و کسب اطمینان از نقش محوری آن در فرايند توارث، حائز اهمیت بوده است.

اگرچه نزد عموم، نام «جیمز واتسون» و «فرانسیس کریک» اغلب به‌عنوان کاشفان مولکول دي‌ان‌اي به خاطر آورده می‌شود، اما درواقع از زمان کشف این مولکول پیچیده بايد 9 دهه سپری می‌شد تا شرایط احراز کشف دوران‌ساز این دو نیز فراهم آید: اینکه مولکول دي‌ان‌اي، ساختاری نردبانی‌شکل و مارپیچ دارد. اینکه چرا کشف ساختار دي‌ان‌اي اهمیتی هم‌سنگ کشف این مولکول یافت را باید در عقبه‌ای جست که پژوهشگران دیگری نیز در آن نقش‌آفرین بودند. این یادداشت نگاهی به دستاوردهای درخشان سه نفر از این پژوهشگران نسبتا گمنام دارد.
در طول تاریخ اکتشافات زیست‌شناختی، کشف هیچ ساختاری به‌قدر نردبان دي‌ان‌اي و پلکان شیمیایی آن، ما را به ذات حیات - به فصل مشترک هرآنچه تحت عنوان یک «موجود زنده» شناخته می‌شود- نزدیک‌تر نکرده است. ماجرا به اواخر دهه 1870 و زمانی بازمی‌گردد که زیست‌شناسان درصدد تشخیص زمینه شیمیایی بافت‌های سلولی برآمده بودند. در این بین، پژوهش‌های «فردریک مایشر»، زیست‌شیمی‌دان سوئیسی، در دانشکده علوم طبیعی دانشگاه توبینگن آلمان بر تجزیه‌ و تحلیل بافت گلبول‌های سفید خون انسان متمرکز بود. او در ابتدا باندهای چرک‌آلود متعلق به بیمارانی از یک بیمارستان محلی را در محلول آب‌نمک تصفیه می‌کرد و سپس گلبول‌های سفید استخراج‌شده را در معرض حلال‌های زیستی قرار می‌داد تا به مؤلفه‌های شیمیایی‌شان تجزیه شوند.
ازجمله این حلال‌ها، عصاره معده خوک بود. این ترکیب با میزبانی از آنزیم «پپسین»، پروتئین‌ها را هضم می‌کرد و مایشر این فرايند را به دقت از پشت چشمیِ میکروسکوپ زیر نظر داشت. آنچه وی مشاهده کرد، غیرمنتظره بود: پروتئین‌ها به مجرد قرارگیری در معرض این ترکیب حل شدند، اما هسته‌شان دست‌نخورده ماند. گویی هسته از جنسی یکسره متفاوت بود. برای کسب اطمینان از این موضوع، مایشر هسته‌های به‌دست‌آمده را در معرض محلول هیدروکسید سدیم قرار داد و با بررسی رسوبات حاصله متوجه شد عناصر سازنده این ترکیب‌ عبارتند از: هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن و مقادیر قابل‌توجهی فسفر.
همین خواص نامتعارف، مایشر را متقاعد کرد که وی موفق به تشخیص ماده غیرپروتئینی جدیدی در ساختار سلول شده که خود آن را «نوکلئین» نامید. اثبات این یافته، مستلزم کسب اطمینان از حضور این ماده در هسته تمام سلول‌ها، اعم از سلول‌های غیرانسانی بود. به همین منظور مایشر از مسیر پژوهش‌های سابقش انشعاب کرد و مصمم شد هسته سلول اسپرم ماهی آزاد را بررسی کند؛ سلولی که بالغ بر 90 درصد حجمش از هسته تشکیل شده است. نتایج این پژوهش از صحت یافته‌های پیشین وی حکایت داشت: نوکلئین در هسته هر سلولی یافت می‌شود.
پرسشی بدیهی که در این مقطع ذهن مایشر را مشغول به خود کرد این بود که آیا نوکلئین نمی‌تواند همان «واحدهای وراثتی» یادشده در چارچوب نظریه ژنتیک مندل باشد؟ اثبات این فرضیه، تعیین سهم نوکلئین از حجم ماده تشکیل‌دهنده سلول را می‌طلبید؛ چراکه در این صورت، سهم نوکلئین از محتوای سلول‌های جنسی بايد نصف این سهم از محتوای باقی سلول‌ها (یا سلول‌های پیکری) باشد.
شاخص مایشر برای ردیابی سهم نوکلئین، میزان فسفر موجود در سلول بود؛ چراکه به نظر می‌رسید هیچ مؤلفه‌ سلولی‌ای جز نوکلئین نمی‌تواند چنین نسبت بالایی از فسفر را درون خود جای داده باشد، که البته چنین نبود. بعدها مشخص شد که چنین نسبت بالایی را در یکی از پروتئین‌های موجود در سیتوپلاسم سلول تخمک، موسوم به «فُس‌ویتین» نیز می‌توان مشاهده کرد. حضور همین عنصر نامطلوب مایشر را به این نتیجه‌گیریِ نادرست واداشت که مقادیر نوکلئینِ موجود در سلول‌های اسپرم و تخمک با یکدیگر برابری نمی‌کنند و بنابراين نمی‌توان این ماده را نماینده واحدهای ژنتیکی دانست.
اشتباه دیگری که در ادامه باعث شد جامعه شیمی‌دانان با وجود کسب موفقیت‌هایی در شناسایی ماهیت نوکلئین، همچنان در انتساب آن به واحدهای ژنتیکی ناکام بمانند را «فوبوس لوِن»، زیست‌شیمی‌دان روسی، مرتکب شد. او به‌درستی پی برد که نوکلئین درواقع یک زنجیره طویل مولکولی (موسوم به «اسید نوکلئیک») است که از واحدهایی موسوم به «نوکلئوتید» تشکیل می‌شود و هر نوکلئوتید نیز عبارت است از ساختاری متشکل از یک باز آلی (از مجموع چهار باز آلی نیتروژن‌دار، تحت عناوین «آدنین»، «تیمین»، «سیتوزین» و «گوانین»)، یک قند پنج‌کربنه (از نوع «دئوکسی‌ریبوز») و یک گروه فسفات. به‌این‌وسیله نام نوکلئین صورتی دقیق‌تر به خود گرفت: «دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید» یا اختصارا دي‌ان‌اي.
درعین‌حال، طرح پیشنهادی لون برای چیدمان اسیدهای نوکلئیکِ تشکیل‌دهنده هسته سلول، برخلاف فرمول پیچیده مولکول DNA، بسیار ساده بود: رشته‌ای منظم و تکرارشونده از هر چهار حالت ممکن مولکول دي‌ان‌اي (به‌ازای هر باز آلی) که وی آن را «طرح تترانوکلئوتیدی» (یا چهارنوکلئوتیدی) نامید؛ چیدمانی که انعطاف شیمیایی کافی برای میزبانی از اطلاعات ژنتیکی یک موجود زنده و شرکت در فرايند توارث را نداشت.
تنها به یمن مطالعات «اروین چارگاف»، زیست‌شیمی‌دان اتریش‌مجارستانی بود که مشخص شد اگرچه سهم بازهای آلیِ رشته دي‌ان‌اي تحت هر شرایطی (اعم از شرایط رژیمی، محیطی یا سنی جاندار) ثابت است، تنها مقادیر آدنین و تیمین از یک سو و سیتوزین و گوانین از سوی دیگر است که با یکدیگر برابری می‌کند؛ به‌‌طوری‌که مقادیر متناسب این دو جفت باز آلی با یکدیگر برابر نیست. این یافته واضح نشان می‌داد که طرح تترانوکلئوتیدی لون، ظرفیت میزبانی از پیچیدگی مولکول مرموز دي‌ان‌اي را ندارد و باید به فکر طرحی دیگر بود؛ طرحی که عاقبت به هيئت نردبانی مارپیچ از آب درآمد.
تنها با نظر به این عقبه پرافت‌وخیز می‌توان دریافت که کشف «واتسون» و «کریک» (که خود به یمن دستاوردهای پژوهشگرانی دیگر اعم از «لینوس پاولینگ» و «روزالین فرانکلین» میسر شد) تا چه حد در احراز هویت حقیقی مولکول دي‌ان‌اي و کسب اطمینان از نقش محوری آن در فرايند توارث، حائز اهمیت بوده است.