Biologie 11 - DNA-THE SECRET OF LIFE/JAMES D.WATSON
1-INLEIDING.
In het Cavendish Laboratory (U.K) ontdekten James Watson en F.Crick samen de structuur van DNA-De dubbele helix in 1953.Dit werd op magistrale wijze verteld door James Watson in zijn "best-seller" van 1968 :"The double Helix :A personal account of the discovery of the structure of DNA."Dit werd behandeld in hel Blog Bericht-Biologie 8.Sinds 1953 is deze uitvinding aan de basis geweest van de stormachtige ontwikkeling van de moleculaire biologie in de 20e eeuw. Ter gelegenheid van de vijftigste verjaardag van de "Dubbele Helix" in 2003 verscheen het boek van James Watson :" DNA-The secret of life."Watson is sinds 1953 permanent actief geweest in de moleculaire biologie in tal van locaties maar vooral in Cold Harbor Laboratory,Long Island (New York,USA).In "The secret of life" geeft hij een uiterst boeiend relaas van de laatste 50 jaar.Hij doet dit met enthousiasme en op een manier die de geïnteresseerde lezers,met enige kennis van biologie,zullen appreciëren.Dit boek is dus een MUST.In de "Introduction" maakt James Watson enkele opmerkingen die zeer belangrijk zijn en die de moeite waard zijn geciteerd te worden.
-"Our discovery put an end to a debate as old as the human species: does life have some magical ,mystical essence,or is it ,like any chemical reaction carried out in a science class,the product of normal physical and chemical processes ? Is there something divine at the heart of a cell that bring it to life ?The double helix answered that question with a definitive NO."
-"Life is simply a matter of chemistry."
-"<We> were quick to grasp the intellectual significance of our discovery,but there was no way we could have foreseen the explosive impact of the double helix on science and society.Contained in the molecule's graceful curves was the key to molecular biology,a new science whose progress over the subsequent fifty years has been astounding."
-"....The climax of the first fifty years of the DNA revolution came on Monday,June 26,2000,with the announcement by U.S.President Bill Clinton of the completion of the rough draft sequence of the human genome :"Today we are learning the language in which God created life.With this profound new knowledge,humankind is on the verge of gaining immense new power to heal."".
-"...It is also clear that the science of molecular biology -what DNA can do for us-still has a long way to go."
In de vier eerste hoofdstukken beschrijft en becommentarieert James Watson de beginfase van de ontdekking : de vroegere evolutiegeschiedenis, de ontdekking van de dubbele helix en van de genetische code en de eerste stappen van de "Recombinant DNA" techniek. In de volgende hoofdstukken komt de invloed van de DNA sructuur op de maatschappelijke evolutie aan bod.(Biotechnologie,genetische gemodificeerde organismen in de landbouw,het Human Genome en zijn implicaties in de studie van de evolutie en de oorsprong en verleden van de menselijke ras,DNA in de gerechtszaken,de opsporing van de genen die ziekten veroorzaken en de genetische therapie)(5-12).Tenslotte in de hoofdstukken 13 en 14 komen meer ethische problemen aan bod : "Nature vs.Nurture","Our genes and our future.".Bij ieder van deze diverse hoofdstukken heeft James Watson zijn eigen visie duidelijk weergegeven.Het hoeft geen betoog dat niet iedereen met zijn standpunten akkoord is.Dit is niet noodzakelijk zolang iedereen de eerlijkheid en de wetenschappelijke waarde van James Watson erkent. en hem beschouwt als een van de grote reuzen van de moleculaire biologie van de 20e eeuw,in opvolging vooral van Charles Darwin en Gregor Mendel om maar deze twee te noemen.Uit de 14 hoofdstukken van "The secret of life" worden nu belangrijke citaten weergegeven.Een uitgebreide beschrijving van het leven en het werk van James Watson tot 2007 kan ook gevonden worden via www.answers.com/topic/james-watson
2-BEGINNING OF GENETICS :FROM MENDEL TO HITLER. (Erfelijkheid/Genetica)
In het eerste hoofdstuk van "The secret of life" gaat de aandacht van James Watson naar de beginperiode van het zoeken van een uitleg voor de erfelijkheid bij Charles Darwin.Voor zijn werk over de evolutie zocht Darwin een verklaring voor de erfelijkheid in duistere ,wetenschappelijk niet bewezen richtingen zoals "pangenesis" en preformationism".Deze zoektocht duurde tot 1853 toen zijn meesterwerk over de evolutie :"On the origin of species." verscheen.Een andere mijlpaal werd bereikt toen de tchechische monnik Gregor Mendel zijn beroemde wetten afleidde uit zijn studie van de erwten (Pisum Sativum) in de tuin van zijn klooster in Brno (Brünn) .Zijn baanbrekend werk kende geen onmiddellijk succes en raakte maar moeilijk bekend.Slechts rond 1900,met de visualisatie van de chromosomen,via verbeterde microscopische technieken,begon men de wetten van Mendel te aanvaarden.De overerfbare entiteiten noemde men toen "genen".Deze waren blijkbaar te vinden op de chromosomen.Er volgde nog een lange zoektocht naar de structuur van het genetisch materiaal tot de beruchte datum 1953 en de ontrafeling van de dubbele helix.Hier volgen enekele citaten uit dit hoofdstuk over erfelijkheid:
-"An understanding of the actual mechanism of genetics proved a tougher nut to crack.Gregor Mendel (1822-1884) published his famous paper on the subject in 1866 (and it was ignored by the scientific community for another thirty-four years).Why did it take so long ? .....Perhaps most important was the failure by early biologists to distinguish between two fundamentally different processes ,heredity and development."
-"Broken down in terms of academic disciplines ,genetics focuses on the information and developmental biology focuses on the use of that information."
Het werk vanMendel situeerde zich in de plantenbiologie en Thomas Hunt Morgan breidde het onderwerp uit tot het dierenrijk met zijn befaamde studie van de fruitvlieg "Drosophila melanogaster";
EUGENETICA EN RACISME.
De werken van Darwin en Mendel zijn niet zonder gevolg geweest en hebben invloed gehad in de sociale betekenis van de genetica.Het werk van Mendel is vooral nauw verbonden met de hele ontwikkeling van de veredeling van planten en dieren en kon uiteraard ook niet zonder gevolg blijven voor de "veredeling" van de menselijke ras.Het was vooral in de victoriaanse periode in Engeland ,op het einde van de 19e eeuw ,dat deze gedachte ingang vond.Het was vooral FRANCIS GALTON ,een vriend en neef van Darwin,die de bezieler was van wat hij noemde in 1883 "EUGENICS".Er valt veel te zeggen over Francis Galton en zijn eugenetica.Hij had ermee geen slechte bedoelingen.Er zijn twee soorten eugenetica : de positieve en de negatieve.Beiden hebben tot doel de verbetering van het menselijk genetisch patrimonium.Nu is "EUGENETICA" een verfoeide denkrichting,vooral tengevolge van de racistische toepassing ervan door de Nazi's.Er zijn echter ook sporen van eugenetica te vinden in de Verenigde Staten (USA) (rond 1910 vooral) maar ook in Zweden.Hierover schrijft James Watson het volgende:
-"Racism is not implicit to eugenics-good genes,the one eugenics seeks to promote ,can in principle belong to people of any race.......The prominent practitioners of eugenics tended to be racists who used eugenics to provide a "scientific" justification" for their racist views."
-"Eugenics ultimately proved a tragedy for humankind.It also proved a disaster for the emerging science of genetics."
-".....In fact,despite the prominence of eugenicists ,many scientists had criticized the movement and dissociated themselves from it...Eugenics had lost its credibility in the scientific community long before the Nazis's appropriated it for their horrific purposes."
3-THE DOUBLE HELIX : THIS IS LIFE.
In het weede hoofdstuk vertelt James Watson hoe een klein boekje ,verschenen in 1944,de richting van zijn loopbaan als bioloog beïnvloed heeft.Het was het boek van de grote fysicus,vader van de golfmechanica,Erwin Schrödinger : "What is life ?" De basis ideeën van Schrödinger (S) waren:
-"S.argued that life could be thought of in terms of storing and passing on biological information.Chromosomes were thus simply information bearers.Because so much information had to be packed into every cell, it must be compressed into what S. called a "hereditary code-script" embedded in the molecular fabric of chromosomes..To understand life ,then,we would have to identify these molecules,and crack their code."
Het boek van Schrödinger heeft een enorme invloed gehad op zeer veel wetenschappers in de biologie sector.Het loont de moeite te vermelden dat Francis Crick en Maurice Wilkins,mede Nobel winnaars met James Watson, bij deze behoren.Verder gaat James Watson dieper in de evolutie van zijn loopbaan als bioloog.Hij heeft zeer veel grote wetenschappers in deze sector ontmoet.Zijn studie begon met het onderzoek van bacteriofagen bij Salvatore Luria en evolueerde daarna om uiteindelijk de geraken in het Cavendish Laboratory in Cambridge (U.K).Belangrijke actoren voor de ontwikkeling van zijn loopbaan waren o.a.zoals vermeld,Salvatore Luria maar ook Max Delbrück,Max Perutz en John Kendrew,om maar enkele van de voornaamsten te noemen.Verder geeft James Watson een overvloed aan details en anecdoten over zijn werk in Cambridge.Het is ook vooral interessant te vermelden de sprint in de race om als eerste de structuur van DNA te ontrafelen (eerder dan Linus Pauling uiteraard !!).Het is een goede aanvulling van zijn "best-seller" van 1968: "The double helix.-A personal account of the discovery of the stucture of DNA."Het is wel aangewezen dit paragraaf te beïndigen met het volgende citaat:
-"The dicovery of the double helix sounded the dead knell (de doodsklok) for vitalism.Serious scientists ,even those religiously inclined,realized that a complete understanding of life would not require the revelation of new laws of nature.Life was just a matter of physics and chemistry,albeit exquisitely organized physics and chemistry.The immediate task ahead would be to figure out how the DNA -encoded script of life went about its work.How does the molecular machinery of cells read the message of DNA molecules ?"
4-READING THE CODE : BRINGING DNA TO LIFE .
Na de ontrafeling van de structuur van DNA,toen bleek dat de sleutel van de genetica vervat was in de volgorde van de nucleotide basen onder de vorm van een code,werd het volgend dringend probleem het mechanisme van deze code te achterhalen .De weg naar de link tussen deze informatie uit de code van DNA en de erfelijkheid heeft lange jaren onderzoek gevraagd en is nauw verbonden met het werk van Gregor Mendel waarvoor bij zijn bekendmaking nog geen verklaring bestond.Belangrijke namen van biologie onderzoekers zijn met deze zoektocht verbonden.
-"Knowing that the biochemical synthesis is governed by proteIn enzymes that promotet he individual incremental chemical reactions along the metabolic pathways ,Beadle and Tatum suggested that each mutation they discovered had knocked out a particular enzyme.And since mutations occur in genes ,genes must produce enzymes.-<one gene,one enzyme !>"
-"The first suggestion that genes might provide the information for ALL proteïns came from Linus Pauling."
-"Pauling was able to refine Garrod's notion of < inborn errors of metabolism> by recognizing some to be what he called <molecular diseases> (ex.sikle-cell anemia)."
Om tot een duidelijk schema te komen moet de rol van RNA in de proteïne synthese uitgeklaard worden want proteïnen worden gevormd buiten de celkern waar DNA zit verborgen.Sidney Brenner speelde een grote rol in dit verband.Het is nu algemeen aanvaard dat RNA gecopieerd wordt (transcriptie) via DNA in de kern.Zo ontstaat messenger RNA dat migreert naar het cytoplasma en daar leidt tot de vorming van proteïnen met behulp van transfer RNA's die voor ieder aminozuur als tussenstap fungeren.Dit alles treedt op in de ribosomen die uit RNA en proteïnen bestaan.Dit is slechts een verkorte versie van het verhaal.Er komt nog veel meer bij kijken en andere belangrijke actoren hebben een bijdrage geleverd.(*).De ganse geschiedenis is weergegeven in hoofdstuk 3 van :"DNA-The secret of Life.".Het volstaat hier de laatste paragraaf van dit hoofdstuk te citeren.
-"Molecular biology had come a long way in its first twenty years after the discovery of the double helix.We understood the basic machinery of life and we even had a grasp on how genes are regulated.But all we had been doing so far was observing;we were molecular naturalists for whom the rain forest was the cell-all we could do was describe what was there.The time had come to become proactive .Enough observation : we were beckoned (to beckon=lonken naar) by the prospect of intervention,of manipulating living things.The advent of recombinant DNA technologies,and with them the ability to tailor DNA molecules would make all this possible."
Dit is de beste overgang naar het volgend hoofdstuk gewijd aan de baanbrekende techniek genaamd: "Recombinant DNA technology.".
-Oswald Avery : Hypothese dat DNA was "the transformic factor" in genetica (1944). -Archibald Garrod : -Alkaptonurie is een <inborn error of metabolism>; -Herontdeking van de wetten van Mendel. -G.Beadle en E.Tatum :Studie van de geïnduceerde mutaties. -Paul Zamecnik : Identificaties van de ribosomen als plaatsen waar de synthese van de proteïnen gebeurt. -Marshall Nirenberg en G.Khorana :Ontdekking van de drie letter code van de codons. -J.Monod,F.Jacob : lac Operon als voorbeeld van gen "switching".
5-PLAYING GOD.-CUSTOMIZED DNA MOLECULES.
Het hoofdthema van dit gedeelte is "Recombinant DNA".Na de structuur van de dubbele helix ontrafeld te hebben en de genetische code verklaard te hebben,wat gingen de biologen met die kennis doen en met welke techniek ?De grootte van de DNA molecules stelt de biologen voor een groot probleem.Men moest over een middel beschikken om een gen - een specifieke deel van DNA - te isoleren en te vermenigvuldigen om ermee te kunnen werken.
-"In essence we needed a molecular editing system : a pair of molecular scissors that could cut the DNA text into manageable sections;a kind of molecular glue pot that would allow us to manipulate those pieces,and finally a molecular duplicating machine to amplify the pieces that we have cut out and isolated."
Hier geeft James Watson in een notedop waarover het gaat.Alles kwam in een stroomversnelling toen de "Recombinant DNA" technologie bij toeval (serendipity) ontdekt werd in 1973.Alles begon toen Arthur Kornberg in 1950 de DNA polymerase ontdekte.Hiermee was hij in staat een complementaire keten van een ontvouwde helix te maken.Met nog een belangrijk element (ligase) kon Kornberg een "kunstmatig" viraal DNA bekomen.Dit inspireerde President Lyndon Johnson de ontdekking te kenmerken als een "Awesome achievement".Een belangrijk element was ook de ontdekking van de "restriction enzymes" die specifieke sekwenties kunnen doorknippen op wel gekende plaatsen.Het hele plaatje is echter ingewikkelder dan dat en voor de volledige beschrijving is het aangewezen te refereren naar gespecialiseerde basis boeken. Om toch volledig te zijn moet ook de ontdekking van de "plasmiden" door Stanley Cohen in 1971 vermeld worden waarmee een weg naar resistentie genen tegen antibiotica gevonden werd.
-"By the early seventies ,all the ingredients to make "recombinant DNA" were in place.First we could cut DNA molecules using restriction enzymes and isolate sequences (genes) we were interested in ; then ,using the ligase,we could glue that sequence into a plasmid;.....Finally ,we could copy our piece of DNA by inserting that same plasmid into a bacterial cell.Ordinary bacterial cell division would take care of replicating the plasmid with our piece of DNA just as it would the cell's own inherited genetic materials.Thus starting with a single plasmid transplanted into a single bacterial cell,bacterial reproduction could produce enormous quantities of our selected DNA sequence.As we let that cell reproduce and reproduce,ultimately to grow into a vast bacterial colony consisting of billions of bacteria,we would be simultaneously creating billions of copies of our piece of DNA .The colony was thus our DNA factory !".
Een groot moment was de ontmoeting van Stanley Cohen en Herb Boyer in 1972.Zo ontstond de 'Recombinant DNA technology".
-"But while Cohen and Boyer may indeed have opened our eyes to extraordinary scientific vistas,they had also opened a Pandora's box ?Where there undiscovered perils in molecular cloning ?....Could we in good conscience simply turn a deaf ear to the cry of the alarmists,that we were creating bacterial Frankensteins ?"
Deze problematiek werd wel ernstig genomen en leidde tot initiatieven ,gestart door toedoen van Paul Berg (Stanford University-Medical School) (1973). Hieruit ontstond de beruchte "Moratorium Letter".
-"....Scientists throughout the world to suspend voluntarily all recombinant studies until the potential hazards of such recombinant DNA molecules have been evaluated or until adequate methods are developed for preventing their spread."
Dit leidde in 1975 tot de "Asilomar Conference" in Pacific Grove (California) waar bitter gediscussieerd werd oa. tussen "prolong the moratorium or the moratorium be damned,let's get on with science !" Volgens James Watson :
-"I now felt that it was more irresponsible to defer research on the basis of unknown and unquantified dangers.There were desperately sick people out there,people with cancer or cystic fibrosis-what gave us the right to deny them perhaps their only hope ? (Gene therapy)"
Daarna werden methoden gevonden om aan deze problematiek te verhelpen (bv.de studie van "safe bacteria").Een essentiele doorbraak was de uitvinding van methoden om de DNA sekwenties te lezen.Twee technieken werden simultaan ontwikkeld,deze van Wally Gilbert van Harvard (USA) en deze van Fred Sanger van Cambridge (UK).
-"Sequencing would confirm one of the most remarkable finding of the 70's."
-"From 1981 on the expansion of molecular biology such as in Cold Spring Harbor Laboratory reflected the birth of a brand new industry :"Biotechnology".After 1975,DNA was no longer solely the concern of biologists trying to understand the molecular underpinning of life.The molecule moved beyond the academic cloister inhabited by white-coated scientists into a very different world populated largely by men in silk ties and sharp suits."
6-DNA,DOLLARS AND DRUGS-BIOTECHNOLOGY.
In 1976 was alles klaar om de volgende doorbraak mee te maken:het resultaat was een heel nieuwe industrie die gekend werd als Biotechnologie.Het enthousiasme van de initiatiefnemers werd wat getemperd door Stanley Cohen die de opmerking maakte dat de commerciële toepassingen nog verschillende jaren op hen zouden laten wachten maar zonder succes want de start was al gegeven.Dit wordt als volgt door James Watson beschreven:
-"The basic proposition was extraordinarly simple : Find a way to use the Cohen-Boyer technology to produce proteins that ara marketable.A gene for a "useful" protein -say one with therapeutic value,such as human insulin- could be inserted in to a bacterium,which in turn would start manufacturing the protein.Then it would just be a matter of scaling up production,from petri dishes in the laboratory to vast industrial-size vats,and harvesting the protein as it was produced."
Het eerste biotechnologie bedrijf kreeg de naam "Genentech" of "genetic engineering technology".Insuline beloofde een biotechnologische goudmijn te zijn.Kort daarna ontstond een tweede biotech bedrijf : Biogen (1978).Er moest nog een groot hinderpaal overwonnen worden,namelijk hoe rekening te houden met de "introns" in menselijke genen die moesten verwijderd worden om een bruikbare insuline te vormen.Diverse technieken om hieraan te voldoen werden ontwikkeld.Een ervan was de truc gebruik te maken van "reverse transcriptase" die RNA terug DNA kan vormen.Een belangrijke vraag werd snel gesteld:
-"Certain questions were soon bound to be asked: Should professors be permitted to enrich themselves on the basis of work done in their university's facilities ?Would the commercialization of academic science create irreconciliable conflicts of interest ?"
De patentkwestie was een andere "hot topic" ,zoals goed geïllustreerd wordt door James Watson:
-"Genentech's insulin triumph put biotechnology on the map.A quarter of a century later,genetic engineering with recombinant DNA technology is routine part of drug-discovery industry.These procedures permit the production of large quantities of human proteins ,which are otherwise difficult to acquire.in many cases,the genetically engineered proteins are safer for therapeutic and diagnostic uses than their predecessors."
De biotechnologie wordt verder door talrijke voorbeelden geïllustreerd,de ene met de onvermijdelijke nadelen en de andere met onverhoopt succes zoals Herceptin ,een monoclonaal antibody (MAb) tegen borstkanker.De lectuur van dit hoofdstuk is meer dan de moeite waard.
-"Developing a drug that inhibits a desired target without disabling other vital proteins is a formidable challenge even for the best of medicinal chemists." (Important for attacking cancer)... -"Succes stories are hard to come by,but will become more common (ex.Novartis Gleevec against a blood cancer called chronic myeloid leukemia-CML) by specifically blocking the growth-stimulating activity of membrane receptor proteins that are overproduced by cancerous cells of this type."
-"Another exciting new frontier in biotechnology involves improving on natural proteins.Why be content with nature's design,arrived at by sometimes arbitrary and now irrelevant evolutionary pressures,when a little manipulation might yield something more useful ?Starting with an existing protein,we now have the ability to make slight alterations in its amino acid sequence......Here we can return to nature's example for a solution : a procedure known as "directed molecular evolution mimics natural selection in the test tube."
7-TEMPEST IN A MEALBOX.-GENETICALLY MODIFIED AGRICULTURE.
De biotechnologie,ontstaan na de ontwikkeling van de "Recombinant DNA" techniek,wordt in de volgende hoofdstukken geïllustreerd door specifieke voorbeelden.Het eerste die aan bod komt is de toepassing in de landbouw.Die is ontstaan voornamelijk als oplossing voor de plaag die de katoenkwekers in de USA trof.James Watson beschrijft dit als volgt:
-"Genetic engineering has produced crops plants with onboard pest resistance.The environment is the big winner because pesticide use is decreased,and yet paradoxically organisations dedicated to protecting the environment have been the most vociferous in opposing the introduction of the so-called genetically modified (GM) plants."
Het eerste voorbeeld dat uitvoerig beschreven wordt is dat van de bacterie "Agrobacterium Tumefaciens" waarmee Marc Van Montagu en Jef Schell (Univ.Gent) roem verworven hebben.Watson geeft heel duidelijk voldoende aandacht aan de realisatie van deze belgische biologen.(Zie ook Blog/Biotechnologie).De mogelijkheden geboden door Agrobacterium tumefaciens worden hier duidelijk beschreven.
-"Its bizarre parasitic lifestyle might hold the key to getting genes into plants."
Andere methoden worden ook beschreven (bv."Gene Gun").Toepassingen voor koren,maïs en onkruid worden uitvoerig besproken.Enkele citaten zijn het vermelden waard:
-"As the GM food debate swirls around us,it is important to appreciate that our custom of eating food that has been genetically modified is actually thousands of years old.In fact,both our domesticated animals,the source of our meat ,and the crop plants that furnish our grains,fruit and vegetables,are very far removed genetically from their wild forbears." (Het loont de moeite dieper over dit citaat na te denken !)
-"One ingenious organic method relies on a toxin derived from a bacterium-or often,the bacterium itself- to protect plants from insects attacks.(Bacillus Thurigiensis) (Bt)......Today we have a whole range of Bt designer crops ,including "Bt corn","Bt potato","Bt cotton" and "Bt soybean" and the net effect has been a massive reduction in the use of pesticides."
-"A meaningful evaluation of GM food should be based on scientific considerations,not on political or economic ones."
In dit hoofdstuk is nog veel meer te vinden maar het standpunt van James Watson is wel heel duidelijk;men kan dit dus hierbij laten. In de andere hoofdstukken wordt de "Recombinant DNA" techniek beschreven in de zoektocht naar de genetica van de menselijke ziekten en in de behandeling ervan.
-"Gene Hunting : The genetic of human diseases". -"Defying disease : Treating and preventing genetic disorders (Gene Therapy)."
De rest van het boek hoort beter thuis bij een paragraaf over Bioethiek.
