פרידריך מישר (1844-1895), ביו-כימאי שווייצרי שהתעניין במבנה התא, ערך אנליזה כימית על תאי הדם הלבנים (לוֹיְקוֹציטים) אותם לקח מתחבושות מלאות מוגלה שסיפקה לו קליניקה כירורגית סמוכה. במחקריו הוא שם לב שמלבד החלבונים הממלאים את נוזל התא (הציטופלזמה) ישנו בתא חומר נוסף שאינו חלבון. בטכניקה מיוחדת הוא שחרר את גרעין התא מתוך התא מבלי לפגוע בו וניתח את מבנהו הכימי. או אז התברר לו שהחומר הכימי שבגרעין שונה באופן מהותי מהחלבון, וכי בשונה מכל חלבון - הוא מכיל כמויות משמעותיות של זרחן. את התרכובת המיוחדת הזו המאכלסת את גרעין התא הוא כינה בשם "נוּקְלֵאִין" (nuclein ["גרעינן"]). בקיץ 1869 הוא אימת את השערתו שתרכובת כימית זו מקורה בגרעיני התאים, וכי היא מופיעה לא רק בתאי דם לבנים אלא בתאים רבים אחרים; תאי שמרים, כליות, כדוריות דם אדומות ורקמות אחרות. תגליתו התפרסמה באביב 1871 לאחר שבוצעו ניסויים נוספים שאיששו את המאמר. בשנים שלאחר מכן הוא המשיך לחקור את גרעין התא בתאי זרע של דגי סלמון, המייצרים כמות גדולה של תאי זרע. המיוחד בתא הזרע הוא שהוא לא מכיל כמעט חומרים אחרים מלבד הגרעין, שכן הוא נועד להתמזג לתוך תא הביצית, מה שהקל על חקירת הגרעין. ואכן במחקרו זה הוא גילה שה"נוקלאין" הוא למעשה מולקולה גדולה הבנויה ממספר קבוצות של חומצות, ובשנת 1889 טבע תלמידו, ריכרד אלטמן (Richard Altmann ; 1852-1900), את המונח "חומצה נוקלאית" (nucleic acid, חומצת גרעין).
ההרכב הכימי של חומצות הגרעין היה ידוע ברובו למישר וכן למעבדות אחרות. הן הכילו קבוצת סוכר הנקראת ריבוז (למעשה: דיאוקסיריבוז), קבוצת פוספט ובסיס המורכב מחנקן. כבר במאה התשע עשרה היה ידוע כי הבסיסים החנקניים של ה-DNA מורכבים מארבעה סוגים - אדנין, גואנין, ציטוזין ותימין.
אולם למעשה, באותה תקופה סברו כולם, וכך גם מישר, כי חומצת גרעין זו משמשת כעזר בנייה לתא או לחלבונים, וכי היא אינה משמשת תפקיד מהותי בהעברת התכונות במהלך ההפריה.
ההתמקדות בחלבונים.
מתחילת המאה העשרים היה ברור לחוקרים בתחום כי הגנים, החומר התורשתי של האורגניזמים, ממוקמים בכרומוזומים שהם (כפי שהיה ידוע אז) מעין סבך של חלבונים וחומצות גרעין הנמצאים בגרעין התא של כל יצור חי. מבין שני המרכיבים הללו של הכרומוזומים, חומצות הגרעין והחלבונים, סברו רוב החוקרים כי דווקא החלבונים הם היכולים לשמש כנושאי המטען הגנטי, שכן רק להם מורכבות ורב-גוניות אשר יכולות, כך הייתה ההנחה, לשאת את המידע התורשתי. לעומתם, חומצות הגרעין הן מולקולות "פשוטות" יותר ואינן מורכבות כמו חלבונים. לפיכך התמקדו המאמצים העיקריים עד לתחילת שנות ה-50 בניסיונות להבין את מבנה החלבון, וכפועל יוצא מכך, להבין את אופן ההורשה של המידע הגנטי.
לינוס פאולינג, שנמנה עם החוקרים שהקדישו את מרבית חייהם המקצועיים לחקר מבנה החלבונים, סבר רוב הזמן כמרבית עמיתיו, כי החלבון הנמצא בכרומוזום נושא, ככל הנראה, את המטען התורשתי.
כך אמר פאולינג עצמו בעניין זה בדיעבד:
בשנת 1951 פרסם פאולינג יחד עם רוברט קורי, סגנו במעבדה בקליפורניה, מספר מאמרים שהיוו פריצת דרך בחקר מבנה החלבונים, והיו הראשונים שהצליחו לתאר את מבנה החלבון ברמה המולקולרית. באפריל 1951 פרסמו השניים את המוטיבים המבניים המרכזיים במבנה השניוני של חלבונים - סליל אלפא ומשטח בטא. והקדימו בכך את צוות החוקרים במעבדת קוונדיש באוניברסיטת קיימברידג' שבראשה עמד הפיזיקאי, חתן פרס נובל לפיזיקה, ויליאם לורנס בראג, חלוץ הקריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן.
במאי 1952 נערכה ועידה בנושא מבנה החלבונים באנגליה, אולם מלינוס פאולינג נמנע מלהשתתף בה, כי משרד החוץ האמריקאי סירב להנפיק לו דרכון, עקב פעילותו הפוליטית. היה זה בשיא המקארתיזם. יש הסוברים כי עקב ביטול ביקור זה נמנע מפאולינג מידע על עבודתה של פרנקלין (ראו למטה) שהיה מוביל אותו לפענוח המבנה. אולם, מנגד, פאולינג קיבל דרכון (לתקופה מוגבלת) זמן קצר אחר כך וסייר מחוץ לארצות הברית.
מחלבונים אל חומצות הגרעין.
עד לתחילת שנות ה-50 הניסיון היחיד כמעט לטעון כי ייתכן שנושאי המטען הגנטי אינם החלבונים שבכרומוזום אלא דווקא חומצות הגרעין, הופיע במאמר משנת 1944 שלא רבים הבחינו בו, של אוסוולד אייברי (Oswald Avery) ואחרים. אייברי, חוקר במכון רוקפלר בניו יורק, פרסם מאמר ביחד עם עמיתיו במגזין לרפואה ניסויית, ובו דיווח על האפשרות של העברת המידע הגנטי באמצעות מולקולת ה-DNA לבדה בבקטריה בשם "Pneumococcus". היו שטענו כנגד מחקרו של אייברי כי מנגנון זה קיים ככל הנראה רק בחיידקים, ושעצם קיומו אינו מצביע על כך שהחומר התורשתי של שאר האורגניזמים נמצא גם הוא ב-DNA, ואולם כאמור, מעטים שמו לב למידע זה והקהילה המדעית הוסיפה להתמקד במחקר החלבונים.
ניסוי נוסף של שני חוקרים, אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס (שקרוי היום ניסוי הרשי-צ'ייס), נערך בשנת 1952 והיווה חיזוק לגישה לפיה החומר התורשתי נמצא בחומצות הגרעין הנמצאות בגרעין התא ולא בחלבונים. הרשי וצ'ייס חקרו בקטריופאגים הבנויים הן מחלבונים והן מ-DNA. בניסוי שלהם הם סימנו בסמנים כימיים (איזוטופים של גפרית ושל זרחן) את החלבונים של הבקטריופאגים והן את ה-DNA שלהם. לאחר מכן הניחו להם להדביק אוכלוסייה של חיידקים. בבדיקת אוכלוסיית החיידקים המודבקת התגלה כי החלבונים נשארו מחוץ לתאים שהודבקו ואילו ה-DNA נמצא בתוכם, דבר שאישש את המסקנה כי ה-DNA מהווה את החומר התורשתי, שכן הוא החומר שחדר לתא הפונדקאי על מנת להדביק אותו.
בסוף שנות ה-40 של המאה העשרים הבחין ארווין צ'רגף, מדען יהודי שפעל באוניברסיטת קולומביה, כי ה-DNA של כל תא בכל אורגניזם מכיל כמות גואנין שווה לכמות הציטוזין וכמות אדנין השווה לכמות התימין.
הוא גם שם לב לכך שהתפלגות סוגי הבסיסים שונה מעט מאורגניזם לאורגניזם. הבחנות אלה נודעו כחוקי צ'רגף. החוקים חיזקו את הרעיון כי החומר הגנטי הוא ה-DNA, לאור השונות שהוא יכול לגלות בין אורגניזמים. השוויון בין בסיסי פירימידין ופורין רמז על מבנה של זוגות.
ההתמקדות ב-DNA – מעבדת קוונדיש.
במעבדת קוונדיש, שבה נחקרו בשיטתיות המולקולות של גרעין התא, עבדו שני חוקרים ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק. ווטסון החל את לימודיו באוניברסיטת שיקגו בגיל 15, שם למד זואולוגיה, והגיע לקיימברידג' לפוסטדוקטורט כשהיה בן 23 בלבד. אף שהיה לו תואר דוקטור בביולוגיה, הידע שלו בנושאים של ביוכימיה ופיזיקה היה מועט ביותר. לעומתו קריק היה בן 35 ועדיין לא סיים את הדוקטורט. הוא התחיל את הקריירה האקדמית שלו כפיזיקאי, ובזמן מלחמת העולם השנייה היה מדען במעבדת האדמירלות הבריטית. אחרי המלחמה החליט לעבור לתחום הביולוגיה המולקולרית, שנראה בעיניו כתחום מתפתח, ולנצל לשם כך את הידע שלו בפיזיקה.
ווטסון פגש ב-1951 את מוריס וילקינס, במסגרת הרצאה שווילקינס נתן בכינוס בנאפולי, שם הציג תמונות של עקיפה של קרני רנטגן של מולקולת ה-DNA, ושמע ממנו על השימוש בשיטה זו (שבאמצעותה צולמו אותן תמונות) לצורך ניתוח המבנה של מולקולת ה-DNA. הרצאה זו שימשה לווטסון כמניע להתמקד בניסיון לחקור את מבנה ה-DNA. לא היה לו כמעט מושג בתחום זה וכאשר הגיע למעבדת קוונדיש הוא חלק חדר עם קריק, שבניגוד אליו היה בעל ידע משמעותי בתחום זה ובתחומים אחרים הקשורים לכימיה ולפיזיקה.
עיקר המחקר במעבדת קוונדיש נעשה בחלבונים, אך ווטסון וקריק החליטו להתחיל ולעבוד על ניסיון לפענח את המבנה המרחבי של ה-DNA. לדעתם, וכאמור בניגוד לתפיסה שרווחה באותה תקופה, היה סיכוי גבוה שדווקא מולקולה זו נושאת את החומר התורשתי. בנו של פאולינג, פיטר, נמצא אף הוא במעבדת קוונדיש, ובדרך זו זכו ווטסון וקריק למידע שעומד להתפרסם בתחום עוד לפני הפרסום בפועל. כך יכלו לעקוב אחר ההתקדמות של פאולינג (שנמצא בקליפורניה), ולקבל מידע רב-משמעות בעבורם שישמש, כפי שנראה, גם כמניע להתקדמות בפענוח המבנה.
אחת ההחלטות הראשונות של ווטסון וקריק, שהייתה לה כנראה משמעות רבה מבחינת הגילוי, היא ההחלטה שלהם לנסות ולבנות מודל פיזי שיתאר את מבנה המולקולה, בדומה לשיטה שבה נקט פאולינג במהלך גילוי המוטיב החלבוני ה"אלפא הליקס". המודל שניסו לבנות, כלומר מבנה המולקולה, אמור היה לעמוד בדרישות של הקשרים שבין מרכיבי המולקולה ולהיות בעל משמעות מבחינת יכולת ההעברה של המידע הגנטי.
המחקר של רוזלינד פרנקלין בקינגס קולג'.
רוזלינד פרנקלין הייתה מדענית יהודייה אנגלייה שהוכשרה ככימאית פיזיקלית, וקיבלה דוקטורט ב-1945.
בתחילת 1951 היא הצטרפה למעבדת קינגס קולג' לונדון, לאחר ששבה לאנגליה לאחר עבודה במעבדה בפריז. פרנקלין חקרה בפריז בעיקר את מבנה הפחם והתמחתה בטכניקות של קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן. ראש המעבדה, ג'ון רנדל, התכוון לנצל את הידע ואת ההתמחות שלה בקריסטלוגרפיה לצורך המחקר של מבנה המולקולות, הן של חלבונים והן של חומצות הגרעין.
ממועד הגעתה לקינגס קולג' שימשה פרנקלין כמדריכה וכמנחה של דוקטורנט בשם ריימונד גוסלינג. היא נעזרה בו בכל מהלך עבודתה שם, המאמרים שלה בנושא ה-DNA נכתבו ביחד אתו.