دی ان ای و هر آنچه که باید در مورد آن بدانید (بخش اول)

احتمالا هر کسی که اندک آشنایی با علوم زیستی داشته باشد یا اینکه نگاهی گذرا به اخبار یا متون مرتبط با حوزه‌ی زیست‌شناسی انداخته باشد، نام مولکول DNA برایش بسیار آشنا خواهد بود. همه‌ی ما از اهمیت DNA برای موجودات زنده آگاه هستیم؛ اما بهتر است از خودمان بپرسیم که تا چه حد با این ماده‌ی شگفت‌انگیز آشنایی داریم؟ آیا DNA دارای ساختاری بسیار متفاوت با سایر مواد شیمیایی است؟ چه چیزی در این مولکول باعث شده است تا به توسعه‌ و شکل‌گیری موجودات زنده کمک کند؟ ما در یک گزارش مفصل به بررسی مفصل ساختار DNA خواهیم پرداخت. در این گزارش سعی خواهیم داشت تا ساختار و کارکرد DNA را به زبان ساده‌تر از آنچه که در کتاب‌های تخصصی زیست‌شناسی آمده است، بازگو کنیم. احتمالا با مرور این گزارش، ما دید و ذهنیت بهتری از این مولکول حیاتی به دست خواهیم آورد و این امر شاید بتواند روی برداشت ما از مقوله‌ی حیات و نحوه‌ی آغاز حیات روی کره‌ی خاکی تأثیر گذارد و ما را در به دست آوردن درکی بهتر و واقعی‌تر از این روند شگرف در جهان هستی یاری کند.

دئوکسی ریبونوکلئیک اسید (DNA) همانند یکی از حلقه‌های قدرت در ارباب حلقه‌ها، داستان معروف جورج تالکین، به عنوان مولکول ارباب هر سلولی محسوب می‌شود. این مولکول شامل اطلاعات حیاتی است که از نسلی به نسل بعد منتقل می‌شوند. DNA نه‌تنها باعث هماهنگ‌سازی روند ساخت خود می‌شود، بلکه به ساخت مولکول‌های دیگر (پروتئین) نیز جهت می‌بخشد. در صورتی که مولکول DNA دستخوش تغییر اندکی شود، این امکان وجود دارد که عواقب جدی برای سلول در پی داشته باشد. اگر این تغییرات فراتر از حدی باشند که دیگر امکان بازیابی یا بازسازی نقص به وجود آمده نباشد، در آن صورت سلول خواهد مرد.

تغییرات ایجاد شده در DNA سلول‌ها در موجودات چندسلولی باعث پیدایش تغییراتی در ویژگی‌های یک گونه‌ی زیستی می‌شود. همچنین در طی مدت‌زمان طولانی، فرایند انتخاب طبیعی روی این تغییرات اثر می‌گذارد و در نهایت به تکامل (فرگشت) یا تغییر گونه‌ها می‌انجامد.

 وجود یا عدم وجود شواهد DNA یک فرد در صحنه‌ی جرم می‌تواند در محکومیت یا تبرئه شدن آن فرد مؤثر باشد. این مولکول به اندازه‌ای مهم است که دولت ایالات متحده مقدار زیادی بودجه و سرمایه را برای باز کردن دنباله‌ای از DNA در ژنوم انسان به امید یافتن روش‌های درمانی برای بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی اختصاص داده است. در نهایت ما با استفاده از DNA یک سلول، می‌توانیم یک حیوان، گیاه یا شاید حتی یک انسان را از طریق روش غیرلقاحی تولید کنیم.

 اما پرسشی که احتمالا ذهن همه‌ی ماها را به خود مشغول می‌کند و در مقدمه نیز به آن اشاره کردیم، این است که DNA چیست؟ در کجا یافت می‌شود؟ چه چیزی است که آن را اینقدر خاص و متمایز می‌کند؟ این مولکول به چه شکلی کار می‌کند؟ در ادامه، ما به عمق ساختار DNA نگاهی دقیق خواهیم داشت و توضیح خواهیم داد که این مولکول به چه شکلی خود را توسعه می‌دهد. همچنین به این امر خواهیم پرداخت که مولکول DNA به چه نحوی می‌تواند تمامی صفات موجود در یک موجود زنده را تعیین کند. برای طی این روند بهتر است در ابتدا نگاهی داشته باشیم به اینکه مولکول DNA برای نخستین بار چگونه شناسایی شده است.

مولکول DNA از نظر ساختار شیمیایی از گروه مولکول‌هایی به نام اسیدهای نوکلئیک محسوب می‌شود. اسیدهای نوکلئیک در اصل در سال ۱۸۶۸ توسط فردریک میچر (Friedrich Meischer)، زیست‌شناس سوئیسی کشف شدند. وی در آن زمان برای نخستین بار توانست تا مولکول DNA را از سلول‌های چرک (عفونت) به دست آمده از بانداژ‌های پانسمانی جدا کند. اگرچه میچر احتمال می‌داد که شاید اسیدهای نوکلئیک در بردارنده‌ی اطلاعات ژنتیکی باشند؛ اما نتوانست این موضوع را تأیید کند و احتمال مطرح شده از طرف میچر به همان صورت باقی ماند.

در سال ۱۹۴۳، اسوالد اوری (Oswald Avery) و همکارانش در دانشگاه راکفلر نشان دادند که DNA به دست آمده از یک باکتری موسوم به استرپتوکوک پنومونی، می‌تواند باعث عفونی شدنِ باکتری‌های غیرعفونی شود. این نتایج نشان دادند که DNA در واقع به عنوان مولکولی حاوی اطلاعات در ساختار سلول نقش دارد. نقش مرتبط با دربرداشتن اطلاعات که به مولکول DNA نسبت داده شده بود، در سال ۱۹۵۲ نیز یک بار دیگر با اتکا به پژوهش‌های آلفرد هرشی (Alfred Hershey) و مارتا چیس (Martha Chase) مورد پشتیبانی قرار گرفتند. آن‌ها نشان دادند که یک ویروس حمله‌کننده به باکتری‌ها (bacteriophage) برای ساختن ویروس‌های جدید، مولکول DNA (و نه پروتئین) را به درون سلول میزبان خود تزریق می‌کند.

 از این رو دانشمندان در مورد نقش اطلاعاتی DNA برای یک مدت طولانی تئوری‌پردازی کرده بودند؛ اما هیچکس به‌طور دقیق نمی‌دانست که مولکول DNA از این اطلاعات به چه شکلی استفاده می‌کند و اینکه آن اطلاعات را به چه طریقی منتقل می‌کند. بسیاری از دانشمندان در آن هنگام حدس زدند که ساختار مولکول DNA در رخ دادن این فرایندها مهم بوده است. در سال ۱۹۵۳، جیمز دی. واتسون (James D. Watson) و فرانسیس کریک (Francis Crick) در دانشگاه کمبریج ساختار DNA را کشف کردند. داستان کامل کشف ساختار مولکول DNA در کتاب جیمز واتسون به نام «این دو مارپیچ» به‌طور مفصل شرح داده شده است. همچنین یک فیلم سینمایی هم با نام «رقابت برای دو مارپیچ» در این مورد ساخته شده است.

در واقع، واتسون و کریک با استفاده از تکنیک‌های مدل‌سازی مولکولی و داده‌های به دست آمده از کارهای دیگر محققان از جمله موریس ویلکینز، روزالیند فرانکلین، اروین شارگاف (Erwin Chargaff) و لینوس پائولینگ موفق به حل معمای ساختار مولکول DNA شدند. واتسون، کریک و ویلکینز موفق به دریافت جایزه‌ی نوبل پزشکی برای کشف ساختار DNA شدند. روزالیند فرانکلین همکار ویلکینز بود و در ارائه‌ی یک قطعه‌ی کلیدی از داده‌هایی نقش داشت که در نهایت باعث آشکار شدن ساختار DNA برای واتسون و کریک شدند. متاسفانه خانم فرانکلین پیش از دریافت جایزه‌ی نوبل خود از دنیا رفت.

در بخش قبلی اشاره کردیم که ساختار مولکول DNA به صورت یک معما برای دانشمندان باقی مانده بود؛ تا اینکه واتسون و کریک با همکاری چند نفر دیگر به آن پی بردند. DNA یکی از مولکول‌های اسیدهای نوکلئیک و حاوی اطلاعات در سلول است. مولکول اسید نوکلئیکی دیگری که در سلول وجود دارد به نام اسید ریبونوکلئیک یا RNA، شناخته می‌شود. مولکول DNA در هسته‌ی هر یک از سلول‌های انسان یافت می‌شود. اطلاعات موجود در DNA به‌طور کلی دو کار اصلی را صورت می‌دهند:

• این اطلاعات باعث هدایت سلول (به همراه مولکول RNA) در روند ساخت پروتئین‌های جدیدی می‌شوند که در تعیین تمامی صفات بیولوژیکی ما نقش دارند.
• اطلاعات موجود در DNA از یک نسل به نسل دیگر منتقل می‌شوند. در واقع می‌توان از تعبیر کپی شدن برای آن استفاده کرد.

کلید همه‌ی این کارکردها در ساختار مولکولی DNA نهفته است؛ همان ساختاری که توسط واتسون و کریک کشف شده بود. اگرچه ممکن است پیچیده به نظر برسد، واقعیت این است که مولکول DNA در یک سلول فقط و فقط از الگویی متشکل از تنها چهار بخش مختلف به نام نوکلئوتیدها ساخته شده است. مجموعه‌ای از بلوک‌ها را تصور کنید که که تنها دارای چهار شکل سازنده‌ی مختلف هستند؛ یا می‌توانیم زبان الفبایی را تصور کنیم که تنها از ۴ حرف تشکیل شده باشد. مولکول DNA در واقع به صورت یک رشته‌ی طولانی از این بلوک‌ها یا حروف است. هر نوکلئوتید شامل نوعی قند (به نام دئوکسی‌ریبوز) است که در یک طرف محدود به یک گروه فسفات و در سوی دیگر نیز محدود به یک باز نیتروژنی است. در شکل زیر می‌توانید نحوه‌ی چیدمان ساده‌ی بخش‌های موجود در نوکلئوتید را مشاهده کنید.

دو نوع از بازهای نیتروژنی وجود دارند که ما آن‌ها را به نام پورین (ساختار دوحلقه‌دار) و پیریمیدین (سازه‌های تک‌حلقه) می‌شناسیم. چهار باز موجود در الفبای DNA هم عبارت‌اند از: آدنین (A) (پورین)؛ سیتوزین (C) (پیریمیدین)؛ گوانین (G) (پورین)؛ تیمین (T) (پیریمیدین).

 واتسون و کریک کشف کردند که DNA دارای دو سو یا رشته است و اینکه رشته‌های مذکور همانند یک نردبان پیچاپیچ، به هم پیچ خورده‌اند. این ساختار دورشته‌ای مارپیچی را به نام مارپیچ دوگانه یا دابل هلیکس می‌شناسند. دو طرف این نردبان شامل بخش‌های قند-فسفاتی متعلق به نوکلئوتیدهای مجاوری هستند که با یکدیگر پیوند خورده‌اند. فسفات متعلق به یک نوکلئوتید با پیوند کووالانسی (پیوندی که در آن یک یا چند جفت الکترون توسط دو اتم به اشتراک گذاشته می‌شوند) به قند نوکلئوتید بعدی متصل شده است. پیوند هیدروژنی بین فسفات‌ها هم باعث می‌شود تا رشته‌ی مولکول DNA پیچ و تاب بگیرد. بازهای نیتروژنی به سمت داخل نردبان گرایش پیدا می‌کنند و جفت‌هایی را با بازهای موجود در طرف دیگر (همانند یک پله برای نردبان) شکل می‌دهند. هر یک از جفت‌های بازی مذکور در واقع از اتصال دو نوکلئوتید مکمل (پورین با پیریمیدین) با همدیگر توسط پیوند هیدروژنی، تشکیل شده است.

باید توجه داشته باشیم که در مولکول DNA، این جفت‌ها به‌طور دلخواه و به هر نحوی شکل نمی‌گیرند. جفت‌های بازی موجود مولکول DNA به این صورت هستند که آدنین با تیمین و سیتوزین با گوانین می‌توانند متصل شوند. شما در تصویر زیر می‌توانید نحوه‌ی چیدمان و اتصال کلی بخش‌های نوکلئوتیدها را با همدیگر به‌طور طرح‌وار مشاهده کنید. همان‌طور که اشاره کردیم. هر یک از حروف A ،C ،G و T با یک رنگ مشخص شده‌اند. همچنین مشاهده می‌کنید که A با T و C با G با همدیگر در مولکول DNA تشکیل پیوند می‌دهند و به تعبیری پله‌های یک نردبان مارپیچی از همین جفت‌ها شکل می‌گیرد.

اگر اندکی کنجکاوتر باشید هم می‌توانید به تصویر زیر نگاهی بیاندازید. در این تصویر ساختار شیمیایی و اتم‌های سازنده‌ی بخش‌های مختلف نوکلئوتید و همچنین نوع پیوند بین اجزا در DNA به صورت طرح‌وار مشخص شده است:

 شاید برای شما این پرسش پیش آمده باشد که چه ویژگی بارزی در پیوند هیدروژنی وجود دارد که در ساختار DNA و شکل مارپیچی آن می‌تواند تعیین‌کننده باشد؟ می‌توان گفت که پیوند هیدروژنی، پیوند شیمیایی ضعیفی است که بین اتم‌های هیدروژن و یک اتم الکترونگاتیوتر، مانند اکسیژن، نیتروژن و فلوئور رخ می‌دهد. اتم‌های شرکت‌کننده می‌توانند در همان مولکول (نوکلئوتیدهای مجاور) یا در مولکول‌های مختلف (نوکلئوتید مجاور در رشته‌های DNA مختلف) واقع شده باشد. در پیوند هیدروژنی، مبادله یا به اشتراک‌ گذاشته شدن الکترون مانند پیوند کووالانسی یا پیوندهای یونی انجام نمی‌شود. جاذبه‌ی ضعیفی مشابه نوعی که بین قطب‌های مخالف یک آهنربا وجود دارد، در این پیوند ایجاد می‌شود. پیوندهای هیدروژنی در فاصله‌ی کوتاهی رخ می‌دهند و می‌تواند به‌راحتی تشکیل و شکسته شوند. آن‌ها همچنین می‌توانند یک مولکول را به ثبات و تعادل برسانند.

DNA یک مولکول طولانی است. به عنوان مثال می‌توانیم بگوییم که یک باکتری همچون E. coli دارای مولکول DNA با حدود ۳۰۰۰ ژن است. در اینجا باید اشاره کنیم که ژن‌ها به صورت یک توالی خاص از نوکلئوتید‌های DNA‌ای هستند که یک پروتئین را رمزگذاری می‌کنند یا به عبارتی به شکلی در می‌آورند که دارای حالت رمزی مشخص و قابل شناسایی در قالب کدهای معین و مشخص باشد. در بخش‌های بعدی گزارش بیشتر به این موضوع خواهیم پرداخت. مولکول DNA موجود در باکتری یاد شده اگر از داخل سلول بیرون کشیده شده و به صورت مستقیم گسترده شود، دارای طولی در حدود ۱ میلی‌متر خواهد شد. با این حال، می‌دانیم که باکتری E. coli معمولی تنها ۳ میکرون طول دارد و این مقدار بسیار کمتر از آن عددی است که برای طول واقعی یک مولکول DNA اشاره کردیم؛ بنابراین این مولکول در داخل سلول به نحو خاصی جای می‌گیرد. DNA برای جای گرفتن درون سلول، به صورتی بسیار مارپیچی و پیچ‌خورده به یک کروموزوم حلقوی در می‌آید. در دو تصویر زیر، شما می‌توانید طرح‌واره‌ای از نحوه‌ی پیچیده شدن مولکول طویل DNA را به شکل کروموزم‌ها ببینید. همان‌طور که اشاره کردیم، ژن‌ها نیز به عنوان چینش‌های متوالی خاصی از نوکلئوتیدها هستند و در تصویر نیز مشخص شده‌اند:

تعداد ژن‌ها و کروموزوم‌ها در موجودات مختلف با همدیگر تفاوت دارد که در ادامه‌ی گزارش به تفاوت‌های آن‌ها به‌طور اجمالی اشاره خواهد شد.

ادامه دارد...