ساختمان و ویژگی های DNA

در اواخر قرن نوزدهم یک بیوشیمیست آلمانی به نام اسوالد آوری نشان داد که اسیدهای نوکلئیک (مولکولهای زنجیری بلند که از واحد های ساختمانی کوچک تری به نام " نوکلئوتید" تشکیل شده اند.) دارای قند، اسید فسفریک و چند باز نیتروژن دار می‌باشند. اندکی بعد مشخص شد که قند موجود در اسیدهای نوکلئیک می‌تواند ریبوز یا دئوکسی ریبوز باشد و لذا اسیدهای نوکلئیک به دو دسته (DNA) DeoxyriboNucleic Acid- که قند موجود در آنها دئوکسی ریبوز است – و (RNA) RiboNucleic Acid - که قند موجود در آنها ریبوز است - تقسیم می‌شوند.

 

پس از کشف اسوالد آوری لازم شد تا ساختار دقیق مولکول DNA و شیوه عمل آن معین شود. در سال 1948 لینوس پاولینگ (Linus Pauling) کشف کرد که بسیاری از مولکولهای پروتئینی به شکل یک مارپیچ (helix) هستند، و تقریباً شکلی شبیه فنر دارند. در سال 1950 نیز اروین شارگاف (Erwin Chargaff) نشان داد که اگرچه آرایش بازهای موجود در ساختار DNA بسیار متنوع است، اما همواره نسبت باز ادنین (A) و باز تیمین (T) موجود در آن با هم برابر است و همین طور نسبت باز سیتوزین (C) با باز گوآنین (G). این دو اکتشاف نقش مهمی را در آشکار شدن ساختمان مولکول DNA ایفا نمود.

در دهه 1950 همچنان رقابت برای کشف ساختار DNA ادامه داشت. در دانشگاه کمبریج کریک (Francis Crick) و واتسون (James Watson) تحت تأثیر کارهای پاولینگ سعی داشتند تا با ارائه مدلهای فیزیکی ساختارهای احتمالی ممکن برای DNA را محدود کنند تا سرانجام به ساختار صحیح دست یابند. گروه دیگری متشکل از ویلکینز (Maurice Wilkins) و فرانکلین (Rosalind Franklin) نیز در کالج کینگ لندن به طور همزمان مشغول مطالعه DNA بود. روش کار این گروه با گروه قبلی متفاوت بود. آنها سعی داشتند تا با روش آزمایشگاهی به ویژه با استفاده از تصاویر پراش اشعه X از مولکول DNA، ساختار آن را معین کنند.

در سال 1951، فرانکلین دریافت که DNA با توجه به میزان رطوبت هوای محیط، می‌تواند دو شکل متفاوت داشته باشد و بنابراین نتیجه گیری کرد که بخش فسفات مولکول در سمت خارجی آن قرار دارد. اندکی بعد او با استفاده از تصاویر اشعه X فهمید که DNA در حالت " مرطوب " (Wet) از تمامی ویژگی های یک مارپیچ (helix) برخوردار است؛ این احتمال که حالت دیگر مولکول DNA نیز به شکل مارپیچی باشد به ذهن او خطور کرد، اما نمی خواست تا زمانی که شواهد قطعی برای این حدس پیدا کند آن را اعلام نماید. در ژانویه 1953 ویلکینز که از به نتیجه رسیدن تحقیقات ناامید شده بود، نتایج تحقیقات فرانکلین را بدون اطلاع و رضایت او، با واتسون در میان گذاشت.

واتسون و کریک با استفاده از این نتایج مدلی بسیار شگفت انگیز را برای ساختار DNA پیشنهاد نمودند. آنها مولکول را به صورت دو زنجیر مارپیچی متشکل از نوکلئوتیدها تصور کردند که یکی از آنها بالا می‌رفت و دیگری پایین می‌آمد. کریک که به تازگی یافته های شارگاف را هم مطالعه کرده بود سعی کرد با استفاده از آنها نحوه قرار گرفتن بازها را در مولکول DNA مشخص کند. او اظهار کرد که بازها در میانه این مارپیچ دوتایی دو به دو به هم متصل می‌شوند تا فاصله بین دو مارپیچ ثابت بماند. آنها ادعا کردند که هر یک از این دو مارپیچ مولکول DNA می‌تواند به عنوان قالبی برای ایجاد دیگری استفاده شود.

در تقسیم سلولی این دو رشته از هم جدا می‌شوند و بر روی هر یک از آنها یک نمونه جدید شبیه رشته مقابل قبلی ساخته می‌شود. با این روش بدون اینکه ساختار DNA عوض شود، یک DNA شبیه آن تولید می‌شود. در اندک مواردی که در این روند خطایی پیش بیاید، شاهد "جهش" خواهیم بود. مدل آنها چنان با اطلاعات حاصل از آزمایش‌ها مطابقت داشت که بلافاصله مورد قبول همه واقع شد. کشف ساختار DNA را می‌توان مهمترین اکتشاف زیستی در صد سال اخیر دانست. در سال 1962 واتسون، کریک و ویلکینز موفق به دریافت جایزه نوبل شدند، اما متأسفانه فرانکلین در گذشته بود.

توانایی منحصر بفرد DNA برای ساخت نانوساختمان های پیچیده از طریق خودآرایی، مربوط به طراحی بسیار ماهرانه در ستون قند- فسفاتی متحدالشکل DNA که بازهای متفاوت چهارگانه بر روی آن قرار گرفته اند است. درصورتی که توالی بازهای دوتک رشته ای DNA با یکدیگر مکمل باشند، این دو رشته بهم متصل شده و تولید یک دورشته ای بسیار هوشمند و دقیق با ساختاری شناخته شده می نمایند. به این ترتیب که بازهای آدنین (A) و گوانین (G) در برابر سیتوزین (C) قرار می گیرند. نتیجه این جفت شدن بازهای مکمل، تشکیل زنجیره ای دو رشته از DNA است که فاصله بین هرجفت باز آن 4/3 آنگستروم و قطر آن 2 نانومتر (20 آنگستروم) است. بدیهی است که زنجیره مذکور می تواند طول بسیار زیادی داشته باشد. از حدود 10 سال قبل زمانی که تکنیک های پیشرفته ای همچون PCR که توانایی تولید بیومولکول های موجود، در مقادیر زیاد و با کیفیت بسیار بالا با هزینه کم را فراهم آوردند، DNAبه دنیای علوم نانوفناوری وارد شد. تکنیک های پیشرفته DNAاین امکان را پدید آورده است که نه تنها توالی های خاصی از DNA را تولید کنیم بلکه توالی خاصی از DNA را با سرعت و در مقادیر زیاد کپی کنیم. امروزه تکنیک های DNA آنقدر آسان شده اند که آنها را می توان در آزمایشگاه ها به راحتی انجام داد.