כל מה שרצית לדעת על ה-DNA ולא העזת לשאול

המושג DNA ודמות הסליל הכפול שלו פרצו לתודעה הציבורית לפני כמה עשרות שנים וזכו מאז ליחסי ציבור חסרי תקדים. המילה DNA חדרה ללשון המדוברת אולי יותר מכל מושג מדעי אחר, ותמונת הסליל הכפול נהפכה לאייקון הראשון במעלה של הביולוגיה.

איך גילו את ה-DNA והבינו שהוא נושא את החומר התורשתי?

DNA הם ראשי התיבות של שמה הכימי של המולקולה Deoxyribose Nucleic Acid. כמו כל הדברים החיים על כדור הארץ, גופנו מורכב ממולקולות, ומולקולת ה-DNA היא אחד מהרכיבים העיקריים של כל תא ותא בכל היצורים החיים. לפני כשבעים שנה הוכח לראשונה שזו המולקולה שנושאת את כל המידע התורשתי שלנו. אבל למה אנחנו מתכוונים כשאנחנו אומרים על משהו שהוא "נושא את המידע התורשתי"? מהו המידע הזה?

מידע תורשתי הוא השם שניתן ל"משהו" ביולוגי שהורים מורישים לצאצאיהם. כולנו יכולים למצוא משהו בעצמנו שדומה קצת, או הרבה, לאחד או שני ההורים שלנו. לעתים הדמיון הזה ניכר אפילו ביחס לסבים, סבתות ואחים. הדמיון בין הורים לילדיהם לא נעלם מעיניהם של בני האדם במשך אלפי שנים, להורים גבוהים לא ייוולדו בדרך כלל ילדים נמוכים, ילדים שחורים לא ייוולדו בדרך כלל להורים לבנים וכן הלאה.

המסקנה המתבקשת היא שההורים מעבירים לילדיהם משהו שגורם להם להיות דומים להם במידה מסוימת. ביולוגים רבים במאה ה-19 שברו את ראשם בניסיון להבין את התופעה, אך לבסוף דווקא כומר סקרן בשם גרגור מנדל היה זה שהגיע לפריצת הדרך הגדולה הראשונה.

1866 - ניסוח חוקי התורשה הבסיסיים, גרגור מנדל 

בסדרה של ניסויים שעשה בהכלאות של זנים של אפונה עם תכונות פשוטות כמו צורה וצבע, הצליח מנדל לנסח כמה כללים פשוטים שמסבירים את האופן שבו הורים מורישים את התכונות הללו לצאצאיהם. תרומתו הגדולה והמהותית הייתה בכך שהצליח לנסח חוקים שאפשרו לחזות איך יופיעו תכונות מסוימות אצל הצאצאים, וכך ייסד למעשה את מדע הגנטיקה.

תרומתו של מנדל הייתה מהפכנית עד כדי כך שנדרשו לקהילה המדעית שנים רבות עד שאימצה אותה. עם זאת, גם מנדל הצליח רק לתאר את החוקיות השולטת בהורשת תכונות, בלי שעמד על טבעו המדויק של המידע והחומר התורשתי.

באותם זמנים נדרשה קפיצה מחשבתית ניכרת בשביל להבין את הממצאים של מנדל. העולם שהוא הבנה הוא ניסוח של חוקי תורשה בהתאם לתכונות שהוא ראה שעוברות מדור לדור בצמחי האפונה שלו. מכאן והלאה אנו קופצים לעולם שבו אנו כבר מניחים שעל מנת שתכונה תורש מדור לדור משהו צריך לעבור בין הדורות, ושלמשהו הזה צריכה להיות היכולת לחולל תכונה אצל הצאצאים. תחנה חשובה בדרך לאפיון המשהו הזה עברה אצל מדען בשם יוהן פרידריך מישר.

1869 - יוהן פרידריך מישר מאפיין מולקולה חדשה בתאים

מישר (Miescher), ביולוג שוויצרי, חקר תאי דם לבנים בניסיון לבודד מהם את הגרעין ולחקור אותו. כשהצליח בכך והחל לחקור את תכולת הגרעין הוא מצא שיש בו חומר שמכיל בעיקר חנקן ופוספט, אך לא גופרית (החומרים שכיום אנו יודעים שמהם מורכבת רוב המסה של ה-DNA). ממצאיו היו חריגים יחסית לידע שהיה קיים בתקופתו עד כדי כך שכתבי עת מדעיים לא הסכימו לפרסם את ניסוייו לפני שיחזרו עליהם. בהמשך חייו הוסיף מישר לחקור ולאפיין את הכימיה של החומר שהצליח לבודד מגרעין התא, וכך בילה את שארית הקריירה שלו, אך לא הצליח לפענח את תפקיד החומר שבודד.

1928 - ניסוי גריפית' לגילוי עקרון הטרנספורמציה

חמישים שנה מאוחר יותר, הגנטיקאי האנגלי פרדריק גריפית' ביצע בשנת 1928 ניסוי מהפכני. הוא לקח שני זנים חיידקים שונים, אחד שהורג עכברים ושני שאינו הורג אותם, ווידא שזה אכן האפקט שיש להם על עכברים שהודבקו בהם. לאחר מכן הוא לקח את החיידקים ההורגים, חימם אותם עד שמתו, וכמובן וידא את זה כשבדק שהחיידקים המומתים כבר אינם הורגים את העכברים שהודבקו בהם.

לאחר מכן הוא ערבב את החיידקים המתים מהזן הקטלני עם חיידקים חיים מהזן הלא קטלני, וגילה להפתעתו שהעכברים שהודבקו בתערובת הזו דווקא מתו מההדבקה, אף על פי שאף אחד מרכיבי התערובת אינו קטלני להם בפני עצמו.בנוסף, גריפית' הצליח לבודד את שני הזנים מדמם של העכברים המתים. מסקנתו הייתה שהזן הלא מסוכן עבר טרנפורמציה – שינוי כלשהו – שהקנתה לו מהיכולות של הזן המומת והמסוכן.

היום אנו יודעים שמסקנתו הייתה מדויקת מאוד. מסקנתו לא הייתה טריוויאלית כלל, משום שבימיו לא היה ידועה שום תופעה ביולוגית שמזכירה עקרון טרנספורמציה כזה. באותה מידה היה גריפית' יכול להסיק שהזן האלים התאושש וחזר לעצמו בעקבות הערבוב עם הזן הלא-אלים. בזכות המסקנה האמיתית שלו, שהזן הלא-אלים השתנה בעקבות ערבוב עם זן אלים מת דרך מנגנון בלתי ידוע, הוא טבע כך את עקרון הטרנספורמציה.

משלב זה והלאה עבר המוקד לניסיון להבין מהו החומר שאחראי לעקרון הטרנספורמציה – מה הוא החומר שעובר מחיידק אחד לחיידק השני וגורם לו לשנות את תכונותיו?

1944 – ה-DNA הוא האחראי לעיקרון הטרנפורמציה

בשנת 1944 הצליחו מספר חוקרים להראות שמולקולת ה-DNA היא שאחראית על עקרון הטרנספורמציה של גריפית'. התיאוריה הזאת סתרה את הדעה הרווחת באותה התקופה שגרסה שהחומר התורשתי מורכב מחלבונים.

שלושה חוקרים - אוסוולד אייברי, קולין מקלאוד ומקלין מקארתי - עמלו רבות על כדי לבודד מולקולות DNA של אותם החיידקים שנבדקו בניסוי עקרון הטרנספורמציה. לאחר מכן הם שחזרו את הניסוי של גריפית' ללא החיידקים המומתים של הזן הקטלני, אלא רק עם ה-DNA שלהם. הם שקדו להראות שהחומר שהם הפיקו הוא אכן DNA, ולאחר מכן הוכיחו שאפשר לשחזר את עקרון הטרנספורמציה עם DNA בלבד, בלי צורך בשאר חלקיו של החיידק המומת.

למרות עבודתם הקפדנית, שלושת החוקרים נתקלו בהתנגדות עזה מצד עמיתיהם המדענים, שטענו שייתכן שה-DNA שלהם זוהם בחלבונים או במולקולת ה-RNA. בעקבות זאת הם חזרו על הניסויים, כשהפעם טיפלו ב-DNA שאספו עם אנזימים שהורסים את אותה מולקולת RNA וחלבונים, וגילו שהפעולה הזאת לא הפריע כלל לטרנספורמציה של החיידקים. לעומת זאת, כשהוסיפו אנזימים שהורסים DNA, גם היכולת של החיידקים לעבור טרנספורמציה חוסלה.

גם אז הקהילה המדעית התקשתה לקבל את הממצאים ולהכיר בכך שדנ"א הוא אכן החומר התורשתי, ורבים המשיכו לטעון שזיהום של חלבון היה מה שהוביל לטרנספורמציה. הדעה הרווחת אז הייתה שארבעת הבסיסים של ה-DNA הם השלד המבני של הכרומוזומים ושעליהם יושבים חלבונים שהם הגנים – החומר התורשתי.

1952 ניסויי הרשי - צ'ייס - ה-DNA נושא את החומר התורשתי

אלפרד הרשי ומרת'ה צ'ייס היו שני מדענים שביצעו בשנת 1952 סדרת ניסויים שווידאו סופית שה-DNA הוא אכן החומר התורשתי. עבודתם הייתה במידה רבה המשך ישיר של ניסויי אייברי, מקלאוד ומקארתי. מטרת הניסויים הייתה להוכיח בצורה חותכת איזה חומר מכל החומרים שבתא הוא האחראי לעקרון הטרנספורמציה.

כל המקום להזכיר לכם שעקרון הטרנספורמציה הדגים שכאשר שני חיידקים, שלאחד יש תכונה מסוימת שלשני אין, באים במגע זה עם זה, יכול להתקיים מעבר של חומר תורשתי מחיידק אחד לשני, והמעבר הזה מקנה לחיידק שמקבל את החומר את התכונה של החיידק שמסר אותו. השאלה הגדולה הייתה מהו החומר הזה, משום שהיה ברור שזהו החומר התורשתי. הדעה הרווחת בתקופה ההיא הייתה שהמידע התורשתי עובר באמצעות חלבונים, אך כל זה עמד להשתנות בעקבות הגילויים החדשים.

הרשי וצ'ייס ביצעו ניסויים בעזרת החיידק אי.קולי (E.coli) והווירוס T2 שמדביק אותו. כשהוירוס T2 מדביק את האי.קולי, הוא נצמד לדופן התא של החיידק, מזריק את החומר התורשתי שלו לתוך התא ומשאיר בחוץ רק את הקליפה שאינה נחוצה לו יותר. לאחר מכן משעבד הנגיף את התא לייצר עוד וירוסים רבים נוספים בעזרת הקוד הגנטי שלו.

הניסוי שהם ביצעו היה פשוט מאוד, אך גם סיפר מידע עשיר. צ'ייס והרשי סימנו את הווירוסים בזרחה (פוספט) רדיואקטיבית. זרחה היא חומר שקיים בכמויות גדולות בדנ"א, אך לא קיים כלל בחלבונים. לאחר מכן הדביקו את החיידקים בווירוסים המסומנים רדיואקטיבית (בדנ"א שלהם, כאמור) ואחרי ההדבקה הפרידו את החיידקים המודבקים מהווירוסים הריקים שעל מעטפת התא החיידקי בעזרת מערבל וצנטריפוגה. הם גילו כעת שהחומר הרדיואקטיבי (ה-DNA) אינו נמצא במעטפת הריקה של הנגיפים אלא בתוך תאי החיידקים.

בניסוי נוסף הם סימנו וירוסים בגופרית רדיואקטיבית. גופרית קיימת בחלבונים, בחומצות ציסטאין ומתיונין, אך אינה קיימת כלל ב-DNA. שוב הם הדביקו את החיידקים בווירוסים הללו ומצאו הפעם שהחומר הרדיואקטיבי נמצא כעת מחוץ לתאים, במעטפת הווירוס הריקה, ואילו בתאים עצמם לא הייתה רדיואקטיביות כלל.

ההנחה שעמדה בבסיס הניסוי הייתה שווירוסים מזריקים לתאים את החומר התורשתי שלהם ומשאירים בחוץ את מה שאינו החומר התורשתי שלהם. שני הניסויים הראו שכאשר DNA (זרחה) סומן בווירוסים שמדביקים חיידקים, החומר המסומן נכנס לתוך התאים. לעומת זאת, כשחלבונים (גפרית) סומנו בווירוסים שמדביקים חיידקים, החומר המסומן נשאר מחוץ לתאים. מכאן הסיקו הרשי וצ'ייס שהחומר התורשתי הוא ה-DNA ולא החלבונים.

1953 - ווטסון וקריק מפענחים את מבנה ה-DNA

ההוכחה לכך שה-DNA הוא החומר התורשתי הייתה רק צעד אחד בדרך להבין איך נשמר בו המידע הגנטי ואיך המידע הזה מועבר מדור לדור. בנוסף חשוב לזכור שהמהפך המחשבתי הזה לא קרה ביום אחד אלא ארך שנים ארוכות. בזמן הזה עמלו מדענים רבים לפענח את המבנה הפיזי של ה-DNA, ובינתיים העובדה שהוא החומר תורשתי כבר הייתה ברורה למדי. מעבר לכך, פענוח המבנה הפיזי של ה-DNA סיפק עוד שלל תובנות ביולוגיות מדהימות.

בשנת 1953 פרסמו המדענים ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק מאמר בכתב העת "Nature" שבו ניתחו את המידע שאספו מעבדות לקריסטלוגרפיה שעבדו של פתרון מבנה ה-DNA, ובמיוחד המעבדה של הכימאית רוזלינד פרנקלין, והציעו את המודל שמקובל כיום כמבנה המדויק של מולקולת ה-DNA. עבודתם נחשבת יחידה במינה משום שענתה בפשטות על כמה מהשאלות הלא פתורות הגדולות ביותר הקשורות לעולם הטבע: איך נשמר המידע הגנטי בתוך היצורים החיים ואיך הוא מועבר מדור לדור.

עבודתם הדגישה את חשיבותה של הגישה הבין-תחומית במדע, שדוגלת בשילוב עבודתם של מדענים מדיסציפלינות שונות. ווטסון וקריק, למשל, היו פיסיקאים שפתרו אחת מהבעיות החשובות ביותר בביולוגיה בתקופתם. תרומתם הייתה עצומה, והראשונים שהכירו בכך היו המדענים מקהילת הביולוגיה הקלאסית, שחשבו שיידרשו עוד שנים רבות עד שיוכלו לענות על השאלות שווטסון וקריק פענחו.

התוצאות שווטסון וקריק ניתחו נלקחו בכלל מקבוצות מחקר אחרות, אולם אף אחת מהקבוצות הללו לא הצליחה לפרש את תוצאות הדיפרקציה של גבישי ה-DNA בצורה הנכונה. מה שהם גילו היה שלדנ"א יש מבנה מחזורי (הסליל הכפול) שמורכב משני גדילים משלימים בעלי אוריינטציה הפוכה (אדנין מול תימין וציטוזין ומול גואנין). התגלית אפשרה להם לפתור תעלומה שהעסיקה את הביולוגים שנים רבות. במאמר עצמו הם ציינו את זה במפורש, במה שנודע כאנדרסטייטמנט המפורסם ביותר בביולוגיה: "לא יכולנו שלא להבחין שהחלוקה לזוגות שאת קיומה הנחנו מצביעה באופן מיידי על מנגנון שכפול אפשרי של החומר הגנטי".

הדבר היפה ביותר במבנה שהם הציעו לדנ"א היה שהוא העלה מיד מנגנון אפשרי ופשוט לשכפול החומר התורשתי – בעיה שהעסיקה את הביולוגים שנים רבות. הפתרון שנובע ממבנה הסליל הכפול היה שכל אחד משני הגדילים שמרכיבים את הסליל הכפול יכול לשמש כתבנית ליצירת הגדיל השני, על בסיס המבנה המשלים שלהם. כך הם פתרו בעת ובעונה אחת את תעלומת האחסון של המידע הגנטי ואת תעלומת האופן שבו הוא משוכפל.

רק לעתים נדירות הקשר בין מבנה המולקולה לבין התפקוד שלה הוא כל כך אלגנטי כמו במקרה של ה-DNA. ייתכן שזו היא הסיבה לכך הדמות הסליל הכפול הפכה איקונית כל כך במשך השנים.