Tajemniczy świat genomu ludzkiego

Tajemniczy świat genomu ludzkiego

Autorzy: Frank Ryan

Wydawnictwo: Prószyński i s-ka

Kategorie: Popularnonaukowe

Typ: e-book

Formaty: EPUB MOBI

Ilość stron: 336

Cena książki papierowej: 45.00 zł

cena od: 23.40 zł

Jak stosunkowo prosty chemiczny kod mógł dać początek złożoności człowieka? W jaki sposób wyewoluował genom ludzki? Jak naprawdę działa? Po zadaniu tych pytań natychmiast stajemy w obliczu tajemnic. Żeby na nie odpowiedzieć, musimy zgłębić podstawową strukturę genomu, jego systemy operacyjne oraz mechanizmy działania. Czy taki temat książki nie zapowiada wyprawy w świat niezwykłej złożoności, zbyt skomplikowanej jak na możliwości niebędącego naukowcem czytelnika? Książka "Tajemniczy świat genomu ludzkiego" jest przeznaczona dla takich właśnie czytelników. Nie ma w niej naukowego żargonu, próżno w niej również szukać wzorów matematycznych czy chemicznych. Przybliża nas ona do zrozumienia, w jaki sposób geny dają początek temu, co każdy z nas z natury uważa za swoją jaźń, a co z kolei umożliwiło narodziny geniuszu Mozarta czy Newtona. Nic dziwnego, że spoglądamy na tę skarbnicę potencjału z respektem i wciąż próbujemy zgłębić tajemnicę, która stanowi podstawę naszego istnienia.

Frank Ryan jest lekarzem, absolwentem University of Sheffield. Brał udział w badaniach nad chorobami zakaźnymi i autoimmunologicznymi, jednak w kręgu jego zainteresowań znajduje się przede wszystkim biologia ewolucyjna, m.in. interakcje między genomami wirusów i ich żywicieli, w tym ludzi. Autor książek popularnonaukowych, honorowy Senior Lecturer in the Academic Unit of Medical Education na University of Sheffield, członek Royal College of Physicians, Royal Society of Medicine i Linnean Society of London.

Tytuł oryginału

THE MYSTERIOUS WORLD OF THE HUMAN GENOME

Copyright © 2015 FPR-Books Ltd

All rights reserved

First published in the United Kingdom by William Collins in 2015

Rysunki © Mark Salwowski

Projekt okładki

Prószyński Media

Ilustracja na okładce

© Sven Geier

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Zofia Firek

ISBN 978-83-8123-484-9

Warszawa 2017

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dedykuję Oswaldowi T. Avery’emu

Jestem naukowcem być może dlatego,

że za młodu byłem ciekawy.

Pamiętam, że w wieku dziesięciu,

jedenastu czy dwunastu lat pytałem:

„A dlaczego tak się dzieje?

Skąd to osobliwe zjawisko?

Chciałbym to zrozumieć”.

Linus Pauling1

1 Cytat za: L. Pauling, s. 25.

Wstęp

Do przeistoczenia się materii nieożywionej w żywe istoty nie trzeba było żadnego specjalnego aktu stworzenia, żadnej iskry życia. Składają się one bowiem z tych samych atomów, tyle że tworzących odmienne architektury.

Jacob Bronowski, The Identity of Man2

Bronowski rozpoczyna swoją jeszcze słynniejszą książkę Potęga wyobraźni od słów: „Człowiek jest stworzeniem szczególnym. Jego uzdolnienia czynią go istotą unikalną w świecie zwierząt. W odróżnieniu od nich nie jest elementem krajobrazu, lecz jego współtwórcą”. Jednak dlaczego my, ludzie, staliśmy się tymi, którzy współtworzą krajobraz, zamiast pozostać jedynie zasiedlającymi go postaciami? Różnimy się od, powiedzmy, konika morskiego lub geparda naszym dziedzictwem genetycznym, całością kodującego nas DNA, gdyż jest ona u ludzi inna w porównaniu z konikiem morskim czy gepardem. Nazywamy tę całość genomem, a mówiąc konkretniej o naszym wypadku – genomem ludzkim.

Nasz genom określa nas aż do najgłębszego poziomu. Taki sam genom występuje w każdej z około 100 000 miliardów komórek tworzących organizmy poszczególnych przedstawicieli gatunku ludzkiego. Jednak sięga on jeszcze głębiej. Jego bardziej indywidualne cechy, miriady drobnych odmian, posiadane przez nas wszystkich i stanowiące wyłącznie osobiste przymioty, kryją w sobie samą esencję naszej jaźni. Wszystkie te właściwości stanowią nasz wkład genetyczny i dziedziczny we własne potomstwo, a poprzez nie – w całość ewolucyjnego dziedzictwa naszego gatunku. Znajomość tego faktu oznacza w najbardziej osobistym sensie świadomość, co to znaczy być człowiekiem. Na całym świecie nie ma dzisiaj dwóch ludzi o takich samych genomach. Nawet u bliźniąt jednojajowych, poczętych z identycznymi genomami, do czasu narodzin powstają drobne różnice genetyczne, które mogą lokować się w częściach genomów niekodujących w istocie tego, co zwykle nazywamy genami.

Jak dziwnie jest uświadomić sobie, że nasz osobisty genom zawiera w rzeczywistości coś więcej niż tylko same geny. Jednak odłóżmy na chwilę na bok takie szczegóły i skupmy się na kwestii ogólniejszej. Jak stosunkowo prosty kod chemiczny mógł dać początek złożoności człowieka? W jaki sposób wyewoluował genom ludzki? Jak naprawdę działa? Po zadaniu tych pytań natychmiast stajemy w obliczu tajemnic.

Żeby odpowiedzieć na te pytania, musimy zgłębić podstawową strukturę genomu, jego systemy operacyjne oraz mechanizmy ekspresji i sterowania. Niektórzy czytelnicy mogą zareagować niedowierzaniem. Czyż taki przedmiot rozważań nie zapowiada wyprawy w świat niezwykłej złożoności, o wiele za bardzo skomplikowanej i naukowej jak na możliwości niebędącego naukowcem czytelnika? W istocie zaś ta książka jest przeznaczona właśnie dla takich czytelników. Jak się przekonamy, podstawowe fakty dość łatwo pojąć, a kluczem do tego jest rozbicie rozważań na szereg prostych i nadzwyczaj logicznych etapów. Nasza podróż wiedzie przez ciąg niesamowitych odkryć dotyczących ludzkiej historii – nawet w bardzo odległą przeszłość naszych przodków oraz prehistoryczne czasy prowadzonej przez nich eksploracji tej życiodajnej planety.

Nasze rozważania dadzą też początek innym, równie ważnym pytaniom. Jak na przykład ten niezwykły byt nazywany przez nas genomem ludzkim umożliwia ludziom reprodukcję – zapłodnienie matczynej komórki jajowej ojcowskim plemnikiem? Jak steruje zakrawającym na cud rozwojem zarodka w łonie matki? Jeśli jednak powrócimy na chwilę do kwestii ogólnych, zyskamy pewność, że ważnym elementem i zasadniczą istotą naszego genomu jest pamięć – na przykład pamięć całości genetycznego dziedzictwa wszystkich ludzi. Jak właściwie genom dokonuje tego niesamowitego wyczynu pamięci? Wiemy już, że ów chemiczny cud nazywany przez nas DNA działa niczym kod, ale jak kod może przypominać sobie złożone instrukcje prowadzące do tworzenia komórek, tkanek i narządów, a po ich powstaniu do uruchomienia ich funkcji w ramach jednej, skoordynowanej całości, składającej się na organizm człowieka? Dopiero od niedawna zaczęliśmy się mierzyć z tajemnicami genomu ludzkiego. Jak ta niezwykła struktura pozyskuje ów program obdarzający rosnące dziecko cudem mowy, nadającym mu związane z nim zdolności nabywania umiejętności, pisania i uczenia się, umożliwiający noworodkowi dojrzewanie i przeistoczenie się w przyszłości w osobę dorosłą, która następnie ponownie powtarza ten cykl, gdy z kolei sama staje się rodzicem?

Cud polega na tym, że to wszystko może być zawarte w drobnych skupiskach związków chemicznych, do których należy (choć niewyłącznie) główna cząsteczka zwana kwasem dezoksyrybonukleinowym, w skrócie DNA3. Ów chemiczny kod w jakiś sposób zawiera zapis genetycznych instrukcji tworzenia naszego organizmu. Musi być weń wbudowany potencjał indywidualnej swobody myśli oraz inwencji, umożliwiający wszelkie rodzaje kreatywności: artystycznej, matematycznej i naukowej. Daje on również początek temu, co każdy z nas z natury uważa za swoją osobistą, nienaruszalną „jaźń”. W jakiś sposób taka sama konstrukcja „jaźni” umożliwiła powstanie geniuszu Mozarta, Picassa, Newtona czy Einsteina. Nic dziwnego, że spoglądamy na tę skarbnicę potencjału z respektem. Nie dziwi również ludzkie dążenie do zrozumienia tej tajemnicy, tkwiącej w samym sednie naszego bytu.

Dopiero niedawno pojęliśmy genom ludzki na tyle głęboko i szczegółowo, żeby móc zebrać w jedno jego cudowną historię – na przykład odkryć, że kryje się w nim coś więcej niż tylko sam DNA. Postaram się przekazać tę historię w niniejszej książce.

Przed kilku laty wygłosiłem w King’s College London wykład na podobny temat. Przewodniczący posiedzenia zadał mi pytanie, czy zamierzam napisać o tym książkę. Kiedy potwierdziłem, poprosił, żebym ujął ją w takich słowach, by czytający ją laik – taki jak on sam – mógł ją bez trudu pojąć.

„Jak dalece prostym językiem, pańskim zdaniem, powinienem ją napisać?”.

„Chciałbym, żeby kierował się pan założeniem, że ja – pański czytelnik – na początku w ogóle nic nie wiem”.

Wówczas obiecałem tak postąpić. Nie będzie zatem w książce skomplikowanego, naukowego języka, żadnych wzorów matematycznych ani chemicznych, ani pozbawionego objaśnień żargonu, zamieszczę też nie więcej niż garść prostych ilustracji. Zamiast tego zacznę od prostych reguł z założeniem, że czytelnicy książki słabo znają się na biologii lub genetyce. Nawet niebiolodzy mogą jednak sobie przypomnieć liczne niespodzianki towarzyszące obwieszczeniu światu w 2001 roku pierwszej, roboczej wersji genomu ludzkiego. Dokonane od tamtego czasu odkrycia potwierdziły, że znaczna jego część pod względem ewolucji, struktury i funkcjonowania bardzo odbiega od naszych wcześniejszych wyobrażeń. Wspomniane niespodzianki nie umniejszają znaczenia bogactwa zgromadzonej wcześniej wiedzy, ale raczej – jak wszystkie wielkie odkrycia naukowe – je potęgują. Dzięki tej nowej wiedzy ludzkość wkroczyła w erę, którą uważam za złoty wiek oświecenia genetycznego i genomicznego, co przekłada się już na sukcesy w wielu istotnych dziedzinach, od medycyny aż po znajomość ludzkiej prehistorii. Myślę, że ogół społeczeństwa zasługuje na zrozumienie tych zagadnień i ich obiecujących perspektyw na przyszłość.

2 J. Bronowski, s. 4.

3 Nowsza nazwa brzmi: kwas deoksyrybonukleinowy, jednak starsza nadal jest używana, nawet w publikacjach naukowych (przyp. tłum.).

Rozdział 1

Któż by to odgadł?

Ten ważny i rozległy problem sformułować można następująco: jak fizyka i chemia wyjaśnić mogą wydarzenia zachodzące w czasie i w przestrzeni, odbywające się wewnątrz żywego organizmu?

Erwin Schrödinger4

W kwietniu 1927 roku młody Francuz René Jules Dubos przybył do nowojorskiego Instytutu Badań Medycznych Rockefellera (Rockefeller Institute for Medical Research) z misją, która na pozór mogła wyglądać na beznadziejną. Dubos, wysoki okularnik, niedawny absolwent Uniwersytetu Rutgersa w stanie New Jersey z doktoratem z mikrobiologii gleby, odznaczał się niezwykłym, filozoficznym podejściem do nauki. Prace wybitnego rosyjskiego mikrobiologa gleby Siergieja Winogradskiego przekonały go, że badanie bakterii w probówkach i hodowlach laboratoryjnych to strata czasu. Dubos uważał, że jeśli naprawdę chce się zrozumieć bakterie, należy wyjść z pracowni i badać je tam, gdzie rzeczywiście bytują i wchodzą w reakcje ze sobą nawzajem i w ogóle ze światem żywym – na polach i w lasach, czyli w przyrodzie.

Po ukończeniu Uniwersytetu Rutgersa Dubos nie miał żadnego zajęcia. Złożył w Narodowej Radzie Badań Naukowych (National Research Council Fellowship) wniosek o subwencję na badania naukowe, ale spotkał się z odmową, gdyż nie był Amerykaninem. Jednak na marginesie pisma z odmową ktoś ręcznie nagryzmolił doń notkę. Dubos później rozmyślał nad faktem, że wiadomość została napisana kobiecą ręką, prawie na pewno po namyśle wpisała ją z dobrego serca sekretarka z biura instytucji. Notka brzmiała następująco: „Może zwróciłby się Pan o radę i pomoc do Pańskiego słynnego rodaka, dr. Alexisa Carrela z Instytutu Rockefellera?”. Dubos posłusznie napisał do Carrela, to zaś sprawiło, że w kwietniu 1927 roku znalazł się w stojącym na nabrzeżu East River gmachu przy York Avenue.

Młody badacz nic nie wiedział ani o Carrelu, ani w istocie o Instytucie Rockefellera, po przybyciu na miejsce więc ku swemu zaskoczeniu dowiedział się, że jego rozmówca jest chirurgiem naczyniowym. Dubos nie miał akademickiego wykształcenia medycznego, Carrel zaś kompletnie nie znał się na drobnoustrojach bytujących w glebie. Rezultat ich rozmowy był aż nazbyt łatwy do przewidzenia: Carrel nie był w stanie pomóc młodemu mikrobiologowi. Skończyli pogawędkę w porze obiadowej, zatem starszy naukowiec wyświadczył młodszemu uprzejmość, zapraszając go na obiad w kantynie instytutu, co dla głodnego Francuza było propozycją tym bardziej atrakcyjną, że serwowano tam świeżo upieczony chleb.

Całkowicie przypadkowo, jak się zdaje, Dubos zasiadł za stołem obok niskiego, szczupłego jegomościa z kopulastą łysiną, który grzecznie odezwał się do niego z kanadyjskim akcentem. Nazywał się Oswald Theodore Avery. Chociaż Dubos później wyznał, że na temat Avery’ego wiedział równie mało, co o Carrelu, profesor Avery (jego bliscy współpracownicy nazywali go „Fess”) był w swojej dziedzinie – mikrobiologii medycznej – wybitną postacią. Ich spotkanie miało się okazać ważne dla historii biologii oraz medycyny.

Avery później zatrudnił Dubosa w charakterze asystenta naukowego, co zaowocowało odkryciem przez Francuza pierwszych antybiotyków pochodzących od drobnoustrojów bytujących w glebie. Tymczasem Avery powiódł swój szczupły zespół – zajmujący się, jak to ujął, „drobną chemią kuchenną” – na kolejne, całkowicie inne poszukiwania, które pomogły znaleźć klucz do wyjaśnienia dziedziczności. Dlaczego zatem większość ludzi wie niewiele albo zgoła nic o tym wizjonerskim naukowcu? Żeby zrozumieć tę sytuację, musimy cofnąć się w czasie i poznać samego człowieka oraz problemy, z jakimi musiał się zmagać ponad siedemdziesiąt pięć lat temu5.

*

W 1927 roku, kiedy Dubos po raz pierwszy spotkał Avery’ego, reguły dziedziczenia były jeszcze słabo poznane. Termin „gen” wprowadził do nazewnictwa dwie dekady wcześniej duński genetyk Wilhelm Johannsen. Co ciekawe, Johannsen przyjął niejednoznaczną koncepcję jednostki dziedziczności, znaną pod nazwą „pangenu”; teorię pangenezy pierwszy zaproponował sam Karol Darwin. Johannsen zmodyfikował tę koncepcję w taki sposób, by objąć nią odkryte poniewczasie pionierskie prace Gregora Mendla, pochodzące z XIX wieku.

Czytelnicy być może znają historię Mendla – palącego cygara i przypominającego braciszka Tucka opata klasztoru Augustianów w Brnie na Morawach (obecnie w Czechach) – który genialnie przeprowadził oryginalne badania nad krzyżówkami groszku, hodowanymi w klasztornym ogrodzie warzywnym. W trakcie tych badań Mendel odkrył podstawy reguł znanych obecnie jako prawa dziedziczenia. Badacz stwierdził, że pewne charakterystyczne cechy groszku są przekazywane roślinom potomnym w przewidywalny sposób. Cechy te obejmowały dużą wysokość lub karłowatość roślin, obecność lub brak barw: żółtej lub zielonej w zabarwieniu kwiatów lub pachwinach liści, a także pomarszczonej lub gładkiej skórki ziaren groszku. Przełomowe odkrycie Mendla polegało na uświadomieniu sobie, że dziedziczność ma swoją siedzibę w komórkach płciowych roślin – co później rozszerzono na wszystkie organizmy żywe – w postaci odrębnych pakietów informacji, które w jakiś sposób kodują określone właściwości fizyczne, czyli „cechy”. Johannsen ukuł termin „gen” na określenie mendlowskiego pakietu informacji dziedzicznej. Mniej więcej w tym samym okresie wojowniczy naukowiec brytyjski, William Bateson, uogólnił pojęcie „gen” i objął nim dyscyplinę nauki zajmującą się zgłębianiem istoty i mechanizmu działania dziedziczności, którą zaczął nazywać „genetyką”.

Jeśli dzisiaj odwiedzimy stronę internetową z bezpłatnym słownikiem, znajdziemy tam następującą definicję genu: „Podstawowa fizyczna jednostka dziedziczności; liniowa sekwencja nukleotydów, leżąca wzdłuż odcinka DNA, dostarczająca zakodowanych instrukcji syntezy RNA, które – po translacji na sekwencję białka – prowadzą do ekspresji cechy dziedzicznej”. Jednak Mendel nie miał pojęcia o genach jako takich i na pewno nic nie wiedział o DNA. Jego odkrycia, opublikowane w mało poczytnych czasopismach, przez czterdzieści lat popadały w zapomnienie, zanim odkryto je na nowo i pełniej zrozumiano ich znaczenie. Jednak z czasem jego idea odrębnych pakietów dziedziczności, które obecnie nazywamy genami, pomogła znaleźć wyjaśnienie bardzo ważnej zagadki medycznej: jak pewne choroby powstają wskutek zaburzeń dziedziczenia.

Wiemy obecnie, że geny to cegiełki dziedziczności, przypominające w dużej mierze atomy, które są fizycznymi jednostkami budującymi świat fizyczny. Jednak w pierwszych dekadach XX wieku nikt naprawdę nie miał pojęcia, z czego geny są zbudowane ani jak działają. Mimo to tu i ówdzie uczeni zaczęli je dogłębniej badać, śledząc ich ekspresję fizyczną podczas formowania się zarodków albo ich rolę jako czynników przyczynowych chorób dziedzicznych. Modelem eksperymentalnym pionierskich badań, które prowadził w swojej chicagowskiej pracowni Thomas Hunt Morgan, stała się muszka owocowa, u której naukowcy lokalizowali geny jeden po drugim w strukturach zwanych chromosomami, znajdujących się w jądrach komórek płciowych owada. Zajmująca się genetyką roślin Barbara McClintock potwierdziła, że tak samo dzieje się w świecie botaniki. McClintock opracowała techniki umożliwiające biologom uwidacznianie u kukurydzy prawdziwych chromosomów, co doprowadziło do przełomowego odkrycia – stwierdzono, że podczas tworzenia się męskich i żeńskich komórek płciowych odpowiadające sobie wzajemnie, czyli „homologiczne” chromosomy obojga rodziców ustawiają się naprzeciw siebie, po czym wymieniają między sobą podobne fragmenty, w wyniku czego potomstwo dziedziczy mieszankę dziedzicznych cech obojga rodziców. To osobliwe zjawisko genetyczne (nazywane „rekombinacją homologiczną podczas rozmnażania płciowego”) wyjaśnia różnice widoczne u rodzeństwa.

Na początku lat trzydziestych XX wieku naukowcy prowadzący badania w dziedzinie biologii i medycyny wiedzieli, że geny to w istocie jednostki fizyczne, chemiczne pakiety informacji, uszeregowane wzdłuż chromosomów niczym paciorki naszyjnika. Innymi słowy, w myśl swobodnego porównania genom można pojmować jako bibliotekę zakodowanych chemicznie informacji, w której rolę książek odgrywają chromosomy. Odrębne jednostki zwane genami można następnie porównać do oddzielnych słów w książkach. Owe biblioteki mieszczą się w jądrach komórek płciowych – u ludzi w komórce jajowej i plemniku. Wszystkie żywe komórki ludzkie zawierają sterty liczące po 46 książek, powstałe po zsumowaniu kompletów z komórki jajowej i plemnika. To dlatego, że komórki płciowe – komórka jajowa i plemnik – zawierają po 23 chromosomy, w chwili poczęcia dziecka więc dwa zestawy chromosomów rodziców łączą się we wnętrzu zapłodnionej komórki jajowej i przekazują organizmowi potomnemu komplet 46 chromosomów. Jednak rozwikłanie tej wstępnej „tajemnicy dziedziczności” jedynie otworzyło puszkę Pandory z nowymi tajemnicami, gdy przyszło nam zastosować genetykę w odniesieniu do olbrzymiej różnorodności życia na naszej płodnej planecie.

Na przykład czy wszystkie formy życia – od robaków do orłów, od pierwotniaków pełzających w stawowym mule aż do samych ludzi – mają w chromosomach jąder komórkowych takie same rodzaje genów?

Mikroskopijne formy życia, w tym bakterie i archeony, nie przechowują swojego materiału przekazującego cechy dziedziczne w jądrze komórkowym. Należą one do prokariontów, czyli organizmów, które się pojawiły przed wykształceniem się jądra. Wszystkie pozostałe formy życia przechowują materiał umożliwiający dziedziczenie w jądrze i noszą wspólną nazwę „eukarionty”, co oznacza, że mają prawdziwe jądro komórkowe. Dzięki coraz liczniejszym odkryciom wynikającym z badań na muszkach owocowych i roślinach oraz z badań medycznych uznawano za coraz bardziej prawdopodobne – i fascynujące – że wszystkie jądrzaste formy życia łączą pewne głębokie podobieństwa. Jednak czy te same pojęcia genetyczne, takie jak geny, miałyby się stosować do prokariontów rozmnażających się bezpłciowo przez pączkowanie, bez potrzeby korzystania z komórek płciowych? W tamtym okresie wczesnego stadium rozwoju bakteriologii toczyły się nawet debaty, czy bakterie należy w ogóle uważać za formy życia. Naturę zaś wirusów, przeważnie mniejszych od bakterii o kilka rzędów wielkości, nie za bardzo rozumiano.

Wielu naukowców zaczęło z czasem uznawać bakterie za organizmy żywe i klasyfikować je według dwuczłonowego systemu opracowanego przez Linneusza; na przykład zarazek gruźlicy opatrzono nazwą Mycobacterium tuberculosis, a wywołujący czyraki drobnoustrój należący do ziarniaków otrzymał nazwę Staphylococcus aureus6. Oswald Avery, obdarzony niezmiernie konserwatywną osobowością, wolał pozostawić sobie możliwość wyboru i wystrzegał się systemu dwuczłonowego, określając pierwszy z wymienionych wyżej zarazków mianem „prątka gruźlicy”. Na potrzeby naszej opowieści warto zaznaczyć, że Dubos – który poznał Avery’ego lepiej niż jakiegokolwiek innego kolegę po fachu – dostrzegł, iż „Fess” zachowywał podobny konserwatyzm w podejściu do badań laboratoryjnych. Nauka musi trzymać się z purytańskim rygoryzmem tego, co da się logicznie zaobserwować i niezbicie udowodnić w laboratorium.

W 1882 roku niemiecki lekarz Robert Koch odkrył, że Mycobacterium tuberculosis stanowi przyczynę najbardziej śmiercionośnej choroby zakaźnej w historii ludzkości – gruźlicy. Koch opracował logiczny kod stosowany w odniesieniu do zarazków podczas ustalania po raz pierwszy, czy to one wywołują określone choroby. Tych zasad, znanych jako „postulaty Kocha”, powszechnie przestrzegano i po zidentyfikowaniu danego drobnoustroju jako czynnika przyczynowego choroby poddawano go dalszym badaniom pod mikroskopem. To zaś umożliwiało klasyfikowanie danego zarazka według licznych kryteriów. Jeśli jego komórki miały kształt kulisty, nazywano go „ziarniakiem”, jeśli przypominały kształtem kiełbaskę, określano go jako „laseczkę”, a jeśli skręcały się spiralnie, zaliczano go do „krętków”. Bakteriolodzy metodycznie badali rodzaj podłoża hodowlanego, na którym dany drobnoustrój najlepiej rośnie – czy na samym agarze, czy na takim z dodatkiem krwi wołu i tak dalej. Analizowali także wygląd kolonii bakteryjnych po wyhodowaniu bakterii na płytkach – ich zabarwienie, wielkość kolonii, ich kontur (czy są nieregularne, czy okrągłe i równe) oraz kształt (wypukłe lub płaskie, gwiazdkowate, ziarniste lub nitkowate). Tak więc podręczniki bakteriologii poszerzały ich wiedzę na podstawie dokładnych badań faktów i obserwacji. W miarę zaś poszerzania się wiedzy nowo pozyskane wiadomości wykorzystywano w walce z chorobami zakaźnymi.

Jedną z przydatnych wiadomości o bakteriach chorobotwórczych, czyli „patogenicznych”, jakie pozyskali naukowcy, był fakt, że zachowanie samego zarazka w stosunku do zainfekowanego gospodarza, a tym samym przebieg choroby, można w sposób zamierzony zmieniać rozmaitymi środkami, na przykład za pomocą wielokrotnego hodowania drobnoustroju w laboratorium albo pasażowania kolejnych jego generacji przez szereg zwierząt doświadczalnych. Dzięki takim manipulacjom można zaostrzyć lub złagodzić przebieg choroby, powodując, że zarazek staje się albo „bardziej wirulentny”, albo „atenuowany”. Bakteriolodzy poszukiwali sposobów przeniesienia tych wiadomości na grunt medycyny. Na przykład we Francji znakomity uczony Louis Pasteur wykorzystał atenuację w celu opracowania pierwszej zastosowanej z powodzeniem szczepionki przeciwko wirusowej chorobie zakaźnej – wściekliźnie – która dotąd zawsze kończyła się śmiercią.

Z tych badań wynikło fascynujące spostrzeżenie: kiedy zarazek atenuowano lub nadano mu większą wirulencję, mógł on „przekazywać” tę zmianę zachowania przyszłym pokoleniom. Czy to możliwe, że dochodziło wówczas do zmiany jakiegoś czynnika w materiale umożliwiającym zarazkowi dziedziczenie, zmiany stanowiącej wytłumaczenie odmiennego zachowania?

Bakteriolodzy mówili o „adaptacji”, używając tego samego terminu, który zaczynał być modny wśród biologów ewolucyjnych i odnosił się do ewolucyjnych zmian organizmów żywych w miarę ich stopniowego przystosowywania się do warunków ekologicznych. Ponieważ było za wcześnie na pewność, że dziedziczenie u bakterii zależy od genów, naukowcy wiązali te zmiany z wyglądem drobnoustrojów i ich kolonii albo z wewnątrzkomórkowymi procesami chemicznymi zarazków, a nawet z ich zachowaniem w stosunku do gospodarzy. Były to bowiem możliwe do zbadania właściwości, bakteryjne odpowiedniki tego, co biolodzy ewolucyjni nazywali „fenotypem” – fizycznej konstrukcji organizmu w odróżnieniu od konstrukcji genetycznej, determinującej cechy dziedziczne, czyli „genotypu”.

Bakteriolodzy ustalili również, że ta sama bakteria może istnieć w postaci różnych podtypów, które często można rozróżniać dzięki przeciwciałom. Owe podtypy nazywano „serotypami”. W 1921 roku brytyjski bakteriolog J.A. Arkwright zauważył, że kolonie wirulentnego typu zarazka dyzenterii z rodzaju Shigella, rosnące na pokrytych żelowym podłożem płytkach hodowlanych, mają kopulasty kształt i gładką powierzchnię, podczas gdy kolonie atenuowanego, niewirulentnego typu tego drobnoustroju mają nieregularny kształt, szorstką z wyglądu powierzchnię i znacznie mniejszą wypukłość. Do opisu tych cech kolonii wprowadził zatem terminy Smooth („gładka”) i Rough („szorstka”) (oznaczane skrótami S i R). Arkwright dostrzegł, że postacie „R” pojawiają się w hodowlach w sztucznych warunkach, lecz nie wtedy, gdy bakterie zostają pobrane z zakażonych ludzkich tkanek. Doszedł do wniosku, że to, co widzi, stanowi formę działania darwinowskiej ewolucji.

Ujął to w następujących słowach: „Ciało człowieka zakażonego dyzenterią można uważać za wybiórcze środowisko utrzymujące takie patogeniczne bakterie w formach, w których zwykle się je spotyka”.

Niedługo potem naukowcy w różnych krajach potwierdzili wniosek, że u pewnej liczby patogenicznych gatunków bakterii utracie wirulencji towarzyszy taka sama zmiana wyglądu kolonii z „gładkiej” na „szorstką”. W 1923 roku Frederick Griffith, epidemiolog pracujący w Ministerstwie Zdrowia w Londynie, opublikował doniesienie, że pneumokoki – zarazki wywołujące epidemie zapalenia płuc oraz zapalenie opon mózgowych, bakterie szczególnie interesujące Oswalda Avery’ego z Laboratorium Rockefellera – tworzą na płytkach hodowlanych podobne wzorce postaci S i R. Griffith słynął jako sumienny naukowiec, toteż Avery’ego naturalnie zaintrygowała jego publikacja.

Z eksperymentów Griffitha wynikał też dodatkowy wniosek, który naprawdę wstrząsnął Averym i wprawił go w zdumienie.

Kiedy Griffith wstrzykiwał doświadczalnym myszom niewirulentne pneumokoki typu R ze szczepu znanego jako typ I, dołączał do zastrzyków dodatkowy składnik, tak zwany adiuwant, który zwykle wzmagał reakcję immunologiczną na pneumokoki R. Powszechnie stosowanym w tym celu adiuwantem był śluz z wyściółki żołądka zwierzęcia doświadczalnego. Jednak z jakiegoś niejasnego powodu Griffith zamienił adiuwant na zawiesinę pneumokoków S, pochodzących z typu II, celowo zabitych wysoką temperaturą. Myszy doświadczalne ginęły wskutek druzgocącej infekcji. Griffith spodziewał się, że we krwi padłych myszy wykryje liczne komórki mnożących się bakterii R typu I – takich, które wstrzyknął na początku eksperymentu. Zatem dlaczego w rzeczywistości znalazł pneumokoki S typu II? Jak, u licha, dołączone do wszczepionej hodowli martwe bakterie mogły zmienić faktyczny serotyp bakterii z niewirulentnego typu I R na wysoce wirulentny typ II S?

Badacze, w tym sam Avery, wcześniej wykazali, że przynależność do typów S i R determinują różnice dotyczące otoczek polisacharydowych pokrywających komórki zarazków. Spostrzeżenia Griffitha sugerowały, że badane bakterie – początkowo pneumokoki typu R – zmieniły w organizmach zakażonych myszy swoje polisacharydowe otoczki na takie, które występowały u szczepu wirulentnego. Jednak nie mogły tego osiągnąć po prostu przez zrzucenie starej otoczki i przywdzianie nowej. Rodzaj otoczki był cechą uwarunkowaną dziedzicznie. Dalsze posiewy odzyskanych bakterii potwierdziły, że naprawdę doszło do rozmnożenia się typu S. Wydawało się, że istnieje tylko jedno możliwe wyjaśnienie: dodanie martwych bakterii typu S do żywych bakterii typu R wywołało w ich aparacie dziedziczenia mutację, w wyniku czego dosłownie zmieniły się one w bakterie typu II S.

Dubos ujął to następująco: „[W tym okresie] Griffith uważał za rzecz oczywistą, że zmiany pozostają w granicach jednego gatunku. Prawdopodobnie nie wyobrażał sobie, że jeden typ pneumokoków może przekształcić się w inny, jako że wtedy uznawano to za odpowiednik przemiany jednego gatunku w inny – zjawisko, którego nigdy przedtem nie obserwowano”7.

*

Nic dziwnego, że Avery’ego zdumiały spostrzeżenia Griffitha. Podobnie jak wcześniej Robert Koch, Avery zgadzał się z poglądem, że dziedziczne cechy szczepów bakteryjnych są niezmienne. Sama koncepcja mutacji – możliwości wywołanych eksperymentalnie zmian cech dziedzicznych – budziła wówczas silne kontrowersje w biologii i medycynie. Żeby zrozumieć przyczynę tego stanu rzeczy, musimy pojąć znaczenie pojęcia mutacji.

Pod koniec XIX wieku teoria Darwina wkroczyła w etap kryzysu. Sam Darwin dobrze wiedział, że dobór naturalny opiera się na jakimś dodatkowym mechanizmie (lub mechanizmach), który może wywoływać zmiany cech dziedzicznych, dzięki czemu dobór naturalny ma do wyboru wiele „wariantów dziedzicznych”. Całe pokolenia później Julian Huxley w początkowych rozdziałach swojej nowatorskiej książki Evolution: The Modern Synthesis (Ewolucja: współczesna synteza) dotknął samego sedna problemu: „Naprawdę istotna krytyka, która spadła na dobór naturalny jako prawo ewolucji, skoncentrowała się na istocie niepodlegającej dziedziczeniu zmienności”. W 1900 roku holenderski biolog Hugo de Vries zaproponował nowy mechanizm, zdolny do zapewnienia nieodzownej zmienności: koncepcję losowej zmiany w jednostce dziedziczenia. Okazja do takiej zmiany powstaje podczas kopiowania genów w trakcie reprodukcji, kiedy losowa zmiana kodu genu może się pojawić wskutek błędu w kopiowaniu dziedziczonej informacji. De Vries nazwał to źródło dziedzicznej zmiany „mutacją”. Dopiero dzięki temu, co Julian Huxley określił mianem „syntezy” mendlowskiej genetyki – potencjałowi zmiany dziedziczonych genów za sprawą mutacji – oraz dzięki darwinowskiemu doborowi naturalnemu, dokonującemu wyboru pomiędzy dziedziczonymi wariantami w obrębie gatunku, teoria Darwina na nowo stała się wiarygodna w oczach olbrzymiej większości naukowców.

Spostrzeżenie Griffitha zyskało z czasem potwierdzenie w postaci faktów rozważanych obecnie przez Avery’ego: doszło do mutacji. Genetycy wykazali, że przemiana pneumokoków należących do szczepu R w szczep S polegała na przeniesieniu genu z martwych bakterii typu II S na żywe bakterie typu I R. Ów gen został włączony w późniejsze cykle reprodukcyjne bakterii i przekształcił komórki bakterii typu I R w typ II S. W świecie drobnoustrojów stanowiło to w istocie odpowiednik zmiany gatunku i dowodziło słuszności wniosku Griffitha, że darwinowski dobór naturalny działa nawet w krótkim czasie, jaki zajmuje rozwój zakażenia w kohorcie myszy laboratoryjnych.

Wyniki eksperymentu Griffitha zelektryzowały bakteriologów i immunologów na całym świecie. Trafność jego odkrycia potwierdziło kilka różnych ośrodków badawczych, w tym berliński Instytut Roberta Kocha, gdzie po raz pierwszy zaklasyfikowano pneumokoki do różnych typów. Wiadomość, jak było do przewidzenia, wzbudziła w placówce Avery’ego gorące dyskusje; Dubos relacjonował: „Jednak z początku nawet nie próbowaliśmy ich [eksperymentów] powtórzyć, jak gdyby szokująca istota odkryć ogłuszyła nas i niemal sparaliżowała intelektualnie”.

Avery najpierw po prostu nie mógł uwierzyć w możliwość przemiany jednego typu bakterii w inny. W istocie sam zaliczał się do grona autorytetów, które przed wielu laty rozstrzygnęło kwestię stałości bakteryjnej reprodukcji i uznało ją za prawdę. Jednak od 1926 roku Avery zachęcał młodego kanadyjskiego lekarza M.H. Dawsona, pracującego w Laboratorium Rockefellera, do zbadania sytuacji. Według relacji Dubosa Dawson, w przeciwieństwie do Avery’ego, od początku żywił przekonanie o słuszności wniosku Griffitha, gdyż uważał, że „prace przeprowadzone w brytyjskim Ministerstwie Zdrowia musiały być prawidłowe”.

Dawson zaczął od potwierdzenia wyników eksperymentu Griffitha na myszach laboratoryjnych. Rezultaty sugerowały, że większość niewirulentnych bakterii typu R w pewnych okolicznościach może powrócić do wirulentnego typu S. W 1930 roku do młodego Kanadyjczyka dołączył chiński kolega Richard P. Sia. Obaj poprowadzili eksperymentalne obserwacje jeszcze dalej: potwierdzili, że dziedziczną przemianę można przeprowadzić na podłożu hodowlanym bez potrzeby pasażowania bakterii przez organizm myszy. Na tym etapie Dawson odszedł z placówki, a Avery zachęcił do dalszych badań innego młodego lekarza, J.L. Allowaya. Ten odkrył, że do spowodowania przemiany potrzeba tylko rozpuszczalnej frakcji z hodowli pneumokoków typu S, otrzymanej przez rozpuszczenie żywych komórek w dezoksycholanie sodu, a następnie przefiltrowanie powstałego roztworu w celu usunięcia fragmentów pozostałych po rozpadzie komórek. Po dodaniu do przefiltrowanego roztworu alkoholu materiał czynny wytrącał się w postaci lepkiego syropu. Ów lepki syrop zaczęto w całej pracowni nazywać „czynnikiem transformującym”. Prace trwały dalej – jeden eksperyment po drugim, rok po roku.

Kiedy w 1932 roku Alloway również odszedł z pracowni, Avery zaczął poświęcać przemianie pneumokoków część własnego czasu, starając się zwłaszcza ulepszyć sposób ekstrahowania i przygotowywania substancji transformującej. Jednak spotykały go kolejne rozczarowania. Uczony skupił się na chemicznej istocie badanej substancji. Stała się ona przedmiotem dyskusji z innymi pracownikami. Uważano ją za „plamagen” wywołujący nowotwory u kurcząt (obecnie wiadomo, że to retrowirus) albo przypisywano genetyczne zmiany bakteryjne działaniu wirusów. Według Dubosa Alloway sugerował, iż czynnik transformujący może być kompleksem białkowo-polisacharydowym. Jednak do 1935 roku myśli Avery’ego zaczęły podążać w innym kierunku. W swoim corocznym raporcie składanym władzom wydziału w tamtym roku zaznaczył, że otrzymał materiał transformujący w postaci zasadniczo oczyszczonej z domieszek polisacharydów otoczki. W 1936 roku biochemik Rollin Hotchkiss, który wówczas zgłosił się do pracy w placówce, zapisał w swoich notatkach historyczny komentarz: „Avery pokrótce poinformował mnie, że czynnik transformujący nie bardzo może być węglowodanem i nie pasuje zbytnio do białek, po czym melancholijnym tonem zasugerował, iż mógłby to być kwas nukleinowy!”. Dubos, który po wielu latach miał napisać książkę poświęconą Avery’emu i jego pracy, na tamtym etapie zlekceważył tę uwagę, uznając ją wyłącznie za przypuszczenie. Jego ostrożność miała uzasadnione przyczyny.

W tamtym roku niewielu naukowców na całym świecie uważało, że rozwiązaniem zagadki dziedziczności mogą być kwasy nukleinowe, związki chemiczne odkryte pod koniec XIX wieku przez szwajcarskiego biochemika Johanna Friedricha Mieschera. Zafascynowany chemią jądra komórkowego Miescher zaobserwował w rozbitych jądrach krwinek białych zawartych w ropie, a później także w główkach plemników łososia, nowy związek chemiczny o kwasowym pH, bogaty w fosfor i składający się z niezmiernie dużych cząsteczek. Uczeń Mieschera, Richard Altmann, po badaniach eksperymentalnych, które zajęły mu niemal całe życie, wprowadził do użytku termin „kwas nukleinowy” na określenie odkrytej przez Mieschera substancji. Do lat dwudziestych XX wieku biochemicy i genetycy ustalili, że istnieją dwa rodzaje kwasów nukleinowych. Jeden nazwano kwasem rybonukleinowym (RNA); zawierał on cztery strukturalne związki chemiczne: guaninę, adeninę, cytozynę i uracyl (w skrócie GACU). Drugi z nich, główny składnik chromosomów, otrzymał nazwę „kwas dezoksyrybonukleinowy” (DNA). Zidentyfikowano jego cztery zasady – trzy były identyczne z występującymi w RNA (guanina, adenina i cytozyna), lecz uracyl zastępowała tu tymina (w wyniku tego skrót brzmiał GACT). Naukowcy wiedzieli, że cztery zasady składają się z dwóch różnych par organicznych związków chemicznych: adenina i guanina należą do zasad purynowych, a cytozyna i tymina – do zasad pirymidynowych. Ustalili również, że powyższe elementy, połączone ze sobą, tworzą bardzo długie cząsteczki. Najpierw uważano, że RNA występuje tylko u roślin, DNA zaś u zwierząt, ale na początku lat trzydziestych XX wieku obalono ten pogląd, odkryto bowiem uniwersalne rozpowszechnienie RNA i DNA w królestwach zwierząt i roślin. Jednak nie wiedziano, jakie rzeczywiste funkcje spełniają kwasy nukleinowe w jądrach komórkowych.

Wybitny specjalista w zakresie chemii organicznej z Instytutu Ro­cke­fellera, Phoebus Aaron Levene, twierdził, że DNA i RNA odznaczają się niezmiernie nudną strukturą – zawierają grupy czterech zasad, wielokrotnie powtarzających się w identycznych formacjach przez całą długość cząsteczki, niczym czteroliterowe słowo recytowane do znudzenia. Jego pogląd nazwano „hipotezą tetranukleotydową”. Uważano, że tak nieciekawa cząsteczka nie może leżeć u podstaw niezmiernie skomplikowanego zjawiska dziedziczności. Jak to ujął Horace Freeland Judson, „z dogmatyczną nieustępliwością hołdowano poglądowi, że DNA może być tylko czymś w rodzaju strukturalnego usztywnienia – kartonowej wkładki, do której w pralni przypina się koszulę, drewnianego blejtramu ukrytego za płótnem Rembrandta – gdyż materiał genetyczny musi być białkiem”.

Białka tworzą długie cząsteczki zbudowane z mniejszych organicznych jednostek chemicznych, zwanych aminokwasami. W skład białek wchodzi 20 aminokwasów przypominających litery, z jakich składają się alfabety. Skoro geny stanowią w świecie dziedziczności odpowiedniki słów, uważano, że tylko złożoność białek może być tworzywem słów zdolnych do wyrażenia jakiejś narracji. Chemicy, a po nich również genetycy w naturalny sposób zakładali, że tylko ten poziom złożoności może pomieścić niezwykły szablon pamięci, jakiego wymaga skomplikowana istota dziedziczności – Judson określił ów tok rozumowania mianem „białkowej wersji głównego dogmatu”.

Tak oto przedstawiał się duch owych burzliwych czasów, z którym Avery obecnie musiał się zmierzyć. Już w 1935 roku w corocznym raporcie dla władz instytutu naukowiec zaznaczył, że na podstawie coraz liczniejszych danych wydaje się, iż „substancja transformująca” nie zawiera polisacharydów otoczki i nie sprawia wrażenia białka.

Jednak wyglądało na to, że w dalszych postępach w toku badań nastąpi zwłoka. Częściowo wynikła ona z faktu, że Dubos, pracujący w tym samym wydziale, dokonał przełomowego odkrycia w badaniach nad antybiotykami. W 1925 roku Alexander Fleming, pracujący w londyńskim St. Mary’s Hospital, odkrył potencjalny antybiotyk – penicylinę – ale nie potrafił przenieść wyników swoich prac na grunt produkcji użytecznej dla celów medycznych. Dubos w myśl filozoficznej reguły zawartej w biblijnej maksymie „prochem jesteś i w proch się obrócisz” przystąpił do pionierskich poszukiwań drobnoustrojów bytujących w glebie, które mogłyby atakować polisacharydową otoczkę pneumokoka. Na początku lat trzydziestych XX wieku poczynił pewne postępy. Na mokradłach w New Jersey, na których uprawiano żurawiny, znalazł bakterię – laseczkę rozpuszczającą grubą, polisacharydową otoczkę okrywającą z zewnątrz pneumokoka niczym zbroja. Następnie wyizolował z bakterii nazwanej Cranberry Bog bacillus8 wytwarzany przez nią enzym. Wraz z Averym opublikował w 1930 roku na łamach czasopisma „Science” artykuł z doniesieniem o odkryciu. W dalszej serii publikacji obaj naukowcy opisali kolejne eksperymenty mające na celu przeniesienie odkrycia na grunt prób klinicznych z udziałem ludzi, oceniających możliwość zastosowania enzymu z Cranberry Bog bacillus w leczeniu pneumokokowego zapalenia płuc i zapalenia opon mózgowych o potencjalnie śmiertelnym przebiegu9.

Jednak ich prace badawcze napotykały jeden problem po drugim. Trudności wynikały częściowo z możliwej do przewidzenia niewiedzy, zrozumiałej w tak pionierskiej dziedzinie badań. Bardziej osobisty, druz­gocący problem pojawił się w chwili, gdy u Avery’ego pod wpływem stresu rozwinęła się tyreotoksykoza – wyniszczająca choroba autoimmu­nologiczna, w której dochodzi do nadczynności tarczycy.

Organizm w stanie tyreotoksykozy zostaje wręcz zalany hormonami tarczycy, powodującymi niekorzystne przestawienie metabolizmu na niebezpiecznie wysokie obroty. Chory czuje się roztrzęsiony, pobudzony, niespokojny i pod względem fizycznym, i umysłowym, ma kłopoty z odprężeniem się i snem – dla osoby twórczej to sytuacja nie do zniesienia. Avery musiał spędzić wiele czasu z dala od laboratorium, przeszedł bowiem operację usunięcia większości „wola toksycznego”, zabieg niosący ryzyko powikłań, a w niezbyt licznych wypadkach nawet śmierci. Operujący go chirurg odradzał mu przedwczesny powrót do zwykłej aktywności, fizycznej czy umysłowej, powodującej stres. Dubos później wspominał, że Avery’ego nie było w pracy aż przez sześć miesięcy. Pod jego nieobecność w pracowni zapanowała stagnacja. Dubos pisał: „Kontynuowałem (…) [badania] przez trzy lub cztery lata. Jednak nie mogłem doprowadzić prac zbyt daleko z powodu poważnych luk w mojej wiedzy genetycznej i biochemicznej, a także wskutek [dominującego] stanu rzeczy w obu tych dyscyplinach nauki”.

Mimo tych trudności Dubos kontynuował swoje badania, uwieńczone w 1939 roku sukcesem – odkryciem pierwszego antybiotyku pochodzącego z gleby. Uczony nazwał go „gramicydyną”. Jednak gramicydyna nie nadawała się ani do podawania doustnego, ani w postaci zastrzyków, była bowiem zbyt toksyczna. Można ją było stosować tylko w chorobach skórnych. Badania trwały nadal. Tymczasem nadzieje Avery’ego i Dubosa pogrzebało nagle przełomowe odkrycie konkurencyjnej placówki badawczej. Doktor Gerhard Domagk, pracujący w farmaceutycznym laboratorium badawczym firmy Bayer w niemieckiej miejscowości Elberfeld, ogłosił odkrycie nowego leku przeciwbakteryjnego o nazwie Prontosil. Specyfik, pierwszy z grupy leków znanych później pod nazwą sulfonamidów, natychmiast znalazł się w lekospisie jako pionierski środek leczniczy, stosowany w wielu nieuleczalnych dotąd chorobach zakaźnych.

Dzisiaj skłonni jesteśmy zapominać, jak niewiele mogliśmy zrobić w latach trzydziestych XX wieku, aby opanować przebieg zakażenia. Epidemie chorób, takich jak szkarlatyna, odra, zapalenie płuc, zapalenie opon mózgowych i wirusowe zapalenie rogów przednich rdzenia kręgowego (polio), ogarniały ludność w regularnych, niekiedy corocznych cyklach. Na co dzień groziły też inne osławione infekcje, w tym gruźlica niszcząca całe rodziny, czyraki, ropne zapalenie stawów, ropne zapalenie kości i szpiku kostnego – powodujące tworzenie się ropni wewnątrz kości i dręczące dolegliwości bólowe – oraz powszechne, lecz potencjalnie śmiertelne zakażenia paciorkowcami, które w razie ropnego zapalenia gardła mogą przełamywać obronę organizmu i powodować tworzenie się ropni w mózgu. Większość ludzi, czy to w krajach rozwiniętych, czy rozwijających się, umierała wskutek zakażeń, między innymi zapalenia płuc o podstępnym przebiegu, atakującego osoby o osłabionej odporności. Leczenie zakażeń było najbardziej palącym problemem, przed którym stała wówczas ludzkość. Dubos, a jeszcze bardziej Avery, musiał odczuć przemożne rozczarowanie z powodu niepowodzenia przyjętego kierunku prac naukowych.

Kiedy Avery we właściwym czasie powrócił do pracy, zmienił główny przedmiot swoich badań na „substancję transformującą”. Colin MacLeod ulepszył techniki ekstrahowania, co pozwalało produkować znaczne ilości ekstraktu do dalszych prób i badań. Zaczęli robić szybsze postępy i dzięki temu w raporcie dla władz Instytutu Rockefellera za rok 1940–1941 mogli z większą pewnością stwierdzić, że wydaje się, iż nawet wysoce oczyszczony ekstrakt substancji transformującej nie zawiera białka.

Tamtego lata MacLeod odszedł z instytutu i objął stanowisko profesora bakteriologii Nowojorskiego Uniwersytetu Medycznego (New York University School of Medicine). Jednak nadal interesował się tym przedsięwzięciem i często wracał do instytutu, żeby służyć swoją radą. Miejsce MacLeoda w eksperymentach nad transformacją zajął młody pediatra Maclyn McCarty. Wniósł on do pracowni przydatny poziom przeszkolenia biochemicznego. Ponieważ naukowcy już dysponowali substancją transformującą w dostatecznej ilości i stabilnej postaci, wykorzystał swoje chemiczne umiejętności do dalszego przetwarzania i identyfikowania materiału czynnego. Zaczął wytwarzać hodowlę pneumokoków w dużych partiach (od 50 do 75 litrów) i opracował serię etapów umożliwiających zwiększenie ilości substancji transformującej oraz jednoczesne usunięcie białek, polisacharydów i kwasu rybonukleinowego. Przeważał wtedy pogląd, że czynnikiem odpowiedzialnym za dziedziczenie są nukleoproteiny. Kwestią zatem najwyższej wagi w staraniach naukowców było upewnienie się, że ostateczny materiał używany do prób nie zawiera białka.

Do tego czasu McCarty zdołał wyekstrahować stężone roztwory materiału czynnego. Traktował je serią enzymów trawiących białka, takich jak otrzymane z gruczołów trawiennych trypsyna i chymotrypsyna o znanym działaniu niszczącym białka, kwas rybonukleinowy i polisacharydy otoczki pneumokoków. Pozostały roztwór wytrząsano z dodatkiem chloroformu w ostatecznym dążeniu do usunięcia nawet najdrobniejszych śladów białka.

Pod koniec 1942 roku McCarty po wielu cyklach ekstrahowania i eksperymentów doszedł do wniosku, że aktywność transformująca ogranicza się do wysoce lepkiej frakcji składającej się niemal wyłącznie ze spolimeryzowanego kwasu dezoksyrybonukleinowego. Kiedy wytrącał zawartość tej frakcji, dodając do kolby kropla po kropli absolutny alkohol etylowy i przez cały czas mieszając roztwór szklaną pałeczką, materiał czynny wydzielał się z roztworu w postaci długich, białych i niezmiernie cienkich włókien owijających się wokół używanej do mieszania pałeczki. Dubos wspominał, z jakim podnieceniem wszyscy w pracowni witali widok pięknych włókien substancji transformującej w czystej postaci.

Na początku 1943 roku Avery, MacLeod i McCarty zaprezentowali swoje wyniki wybitnym chemikom w oddziale Instytutu Badań Medycznych Rockefellera w Princeton. Chemicy musieli być zdumieni, a może nawet skonsternowani, lecz nie zakwestionowali zgromadzonych dowodów ani nie domagali się przedstawienia dalszych. W kwietniu tego samego roku naukowcy podsumowali dane w raporcie dla władz Instytutu Rockefellera. Obecnie Avery, MacLeod i McCarty – wszyscy trzej byli raczej lekarzami, a nie genetykami – mogli już o swoich badaniach poinformować świat. Zrobili to w artykule wysłanym w listopadzie tego samego roku do redakcji czasopisma „Journal of Experimental Medicine”; opublikowano go na początku roku następnego. Tytuł publikacji był rozwlekły i ostrożny: Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III (Badania chemicznej istoty substancji indukującej transformację pneumokoków w inny typ. Indukcja transformacji przez wyizolowaną z pneumokoków typu III frakcję zawierającą kwas dezoksyrybonukleinowy)10.

Artykuł, by posłużyć się słowami Dubosa, „zawierał oszałamiające wnioski”. Podekscytowanie mitygowane ostrożnością wyczuwało się w liście napisanym przez Avery’ego do jego brata Roya 26 maja 1943 roku:

(…) Przez ostatnie dwa lata, najpierw z MacLeodem, a teraz z dr. McCartym, starałem się ustalić chemiczną istotę substancji obecnej w ekstraktach bakteryjnych, indukującej tę specyficzną przemianę. (…) Nie byle jaka praca – w dodatku pełna rozterek i zawodów. Jednak chyba wreszcie to mamy (…) Krótko mówiąc, ta substancja (…) zachowuje bardzo ścisłą zgodność z teoretycznymi wartościami czystego kwasu nukleinowego zawierającego dezoksyrybozę. Któż by to odgadł?11

Użyty w liście termin „kwas nukleinowy zawierający dezoksyrybozę” oraz „kwas dezoksyrybonukleinowy” w tekście artykułu to starsze nazwy związku nazywanego obecnie kwasem deoksyrybonukleinowym, powszechnie zaś określanego skrótem DNA.

CIĄG DALSZY DOSTĘPNY W PEŁNEJ, PŁATNEJ WERSJI

PEŁNY SPIS TREŚCI:

Wstęp

Rozdział 1. Któż by to odgadł?

Rozdział 2. Potwierdzenie roli DNA jako kodu

Rozdział 3. Opowieść widoczna na zdjęciu

Rozdział 4. Para odmieńców

Rozdział 5. Sekret życia

Rozdział 6. Siostrzana cząsteczka

Rozdział 7. Logiczny następny krok

Rozdział 8. Pierwsza, robocza wersja genomu ludzkiego

Rozdział 9. Jak zmieniają się cechy dziedziczne

Rozdział 10. Korzyść płynąca ze wspólnego życia

Rozdział 11. Wirusy, które są częścią nas

Rozdział 12. Ewolucja na poziomie genomu

Rozdział 13. Główne systemy kontroli

Rozdział 14. Nasza historia zapisana w DNA

Rozdział 15. Nasi wcześniejsi przodkowie

Rozdział 16. Wielkie pustkowia prehistorii

Rozdział 17. Nasi ludzcy krewni

Rozdział 18. Los neandertalczyków

Rozdział 19. To, co nas czyni niepowtarzalnymi

Rozdział 20. Piąty żywioł

Podziękowania

Bibliografia

4 E. Schrödinger, s. 1.

5 Historia Dubosa i jego wkład w odkrycie antybiotyków zob. F. Ryan, 1992.

6 Gronkowiec złocisty (przyp. tłum.).

7 Dalsze szczegółowe wiadomości na temat Griffitha, Arkwrighta, Dawsona, Allowaya i innych: R.J. Dubos, 1976. Zob. także: R. Olby, 1994.

8 Cranberry bog można tłumaczyć jako „mokradło porośnięte żurawiną”; bacillus to łaciński termin mikrobiologiczny, oznaczający laseczkę (przyp. tłum.).

9 Na temat Cranberry Bog bacillus Avery’ego i Dubosa zob. F. Ryan, 1992.

10 Artykuł Avery’ego: O.T. Avery, C.M. MacLeod, M. McCarty, Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of pneumococcal ­types. Induction of transformation by a desoxyribonucleic acid fraction isolated from pneumococcus type III, „Journal of Experimental Medicine” 1944, nr 79, s. 137–158.

11 Przedruk listu Avery’ego do jego brata w: R.J. Dubos, 1976.

Spis treści

Wstęp

Rozdział 1. Któż by to odgadł?

KSIĄŻKI TEGO AUTORA

Tajemniczy świat genomu ludzkiego 

POLECANE W TEJ KATEGORII

Przewodnik wędrowca Duchowe życie zwierząt Medyczna Marihuana. Historia hipokryzji Małe wielkie odkrycia Na drugie Stanisław Człowiek. Biografia