โครงสร้างโมเลกุลของกรดนิวคลีอิก: โครงสร้างสำหรับกรดดีออกซีไรโบสนิวคลีอิก

"โครงสร้างโมเลกุลของกรดนิวคลีอิก: โครงสร้างสำหรับกรดดีออกซีไรโบสนิวคลีอิก" เป็นบทความซึ่งตีพิมพ์โดย เจมส์ ดี. วัตสัน และฟรานซิส คริก ในวารสารวิทยาศาสตร์ "เนเจอร์" ฉบับที่ 171 หน้า 737-738 วันที่ 25 เมษายน ค.ศ. 1953 บทความนี้เป็นผลงานชิ้นแรกซึ่งอธิบายการค้นพบโครงสร้างเกลียวคู่ของดีเอ็นเอ การค้นพบดังกล่าวสร้างผลกระทบใหญ่หลวงต่อวิชาชีววิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการศึกษาพันธุศาสตร์
บทความนี้มักเรียกขานกันว่าเป็น "ไข่มุก" แห่งวิทยาศาสตร์ เนื่องจากเป็นบทความที่สั้นและมีคำตอบเกี่ยวกับปริศนาพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต ปริศนานี้เป็นคำถามที่ว่าเป็นไปได้อย่างไรที่คำสั่งทางพันธุกรรมถูกเก็บอยู่ภายในสิ่งมีชีวิตและสามารถส่งผ่านจากรุ่นสู่รุ่นได้อย่างไร บทความนี้นำเสนอทางออกที่ง่ายและสละสลวย ซึ่งสร้างความประหลาดใจให้แก่นักชีววิทยาจำนวนมากในเวลานั้น ผู้ซึ่งคิดว่าการส่งผ่านดีเอ็นเอจะเป็นสิ่งที่มีรายละเอียดซับซ้อนและยากที่จะเข้าใจมากกว่านี้

จุดกำเนิดของชีววิทยาโมเลกุลลล

การประยุกต์ความรู้ทางฟิสิกส์และเคมีเข้ากับปัญหาทางชีววิทยานำไปสู่การพัฒนาความรู้ในด้านชีววิทยาโมเลกุล ชีววิทยาโมเลกุลนี้เป็นความรู้ที่เกี่ยวข้องกับข้อมูลทางชีววิทยาที่ระดับยีนและโปรตีน การค้นพบเกลียวคู่กรดนิวคลีอิกทำให้ชัดเจนว่ายีนนั้นเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลดีเอ็นเอและจะต้องมีหนทางที่เซลล์จะต้องใช้ประโยชน์จากยีนดีเอ็นเอในการสังเคราะห์โปรตีน
ไลนัส พอลิงเป็นนักเคมีผู้ซึ่งมีอิทธิพลอย่างมากในการพัฒนาความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของโมเลกุล ในปี ค.ศ. 1951 พอลิงได้ตีพิมพ์โครงสร้างของเกลียวอัลฟา ซึ่งเป็นส่วนประกอบพื้นฐานที่สำคัญของโปรตีน เมื่อต้นปี ค.ศ. 1953 เขาได้ตีพิมพ์แบบจำลองเกลียวสามที่ไม่ถูกต้องของดีเอ็นเอ ทั้งคริกและโดยเฉพาะอย่างยิ่งวัตสัน รู้สึกว่าตนกำลังแข่งขันกับพอลิงเพื่อค้นพบโครงสร้างดีเอ็นเอก่อนอีกฝ่ายหนึ่ง
แมกซ์ เดลบรุก เป็นนักฟิสิกส์ผู้ซึ่งตระหนักถึงความเกี่ยวข้องกันบางประการของชีววิทยากับควอนตัมฟิสิกส์ ความคิดของเดลบรุกเกี่ยวกับพื้นฐานเชิงฟิสิกส์ของชีวิตนี้ได้กระตุ้นให้เออร์วิน ชเรอดิงเงอร์เขียนหนังสือที่มีอิทธิพลอย่างมาก ชื่อว่า อะไรคือชีวิต (What is Life?) ซึ่งหนังสือเล่มนี้เองได้มีอิทธิพลย่างสำคัญต่อฟรานซิส คริก, เจมส์ ดี. วัตสัน และมัวริส วิลคินส์ ผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์สำหรับการค้นพบเกลียวคู่ดีเอ็นเอ ความพยายามของเดลบรุกในการทำให้ "กลุ่มเฟจ" เป็นที่รู้จัก (การสำรวจพันธุศาสตร์โดยวิธีการของไวรัสที่ทำให้แบคทีเรียติดเชื้อ) นั้นเป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาชีววิทยาโมเลุกุลในภาพรวมช่วงแรก ๆ และการพัฒนาความสนใจทางวิทยาศาสตร์ของวัตสันอีกด้วย

โครงสร้างและหน้าที่ของดีเอ็นเอ

กรณีที่ว่าโครงสร้างของโมเลกุลนั้นง่ายที่จะทำให้สัมพันธ์กับหน้าที่ของมันนั้นไม่ถูกต้องเสมอไป สิ่งที่ทำให้โครงสร้างของดีเอ็นเอสัมพันธ์กับหน้าที่ของมันอย่างเห็นได้ชัดนั้นได้อธิบายพอประมาณไว้แล้วในตอนท้ายของบทความ: "มันหนีไม่พ้นการสังเกตของเราที่ว่าการเข้าคู่กันอย่างเฉพาะตามที่เราได้สันนิษฐานไว้นั้นจะบ่งบอกถึงกลไกการทำสำเนาสำหรับสารพันธุกรรมได้ทันที"
"การเข้าคู่กันอย่างเฉพาะ" นั้นเป็นลักษณะที่สำคัญของแบบจำลองดีเอ็นเอของวัตสันและคริก ซึ่งเป็นการเข้าคู่กันของหน่วยย่อยนิวคลีโอไทด์ ในดีเอ็นเอ ปริมาณของกวานีนนั้นจะเท่ากับไซโตซีน และปริมาณของอะดีนีนจะเท่ากับไทมีน คู่ A:T และ C:G นั้นมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน หากจะกล่าวโดยละเอียดแล้ว ความยาวของคู่เบสแต่ละคู่นั้นจะมีค่าเท่ากัน และจะพอเหมาะเท่ากับระหว่างสันหลังฟอสเฟตสองอัน คู่เบสจะถูกยึดเข้าด้วยกันด้วยพันธะไฮโดรเจน ซึ่งเป็นสารล่อที่เป็นเคมีประเภทหนึ่งที่ง่ายที่จะแตกและง่ายที่จะก่อตัวขึ้นใหม่ หลังจากมีการรับรู้ถึงความคล้ายคลึงกันของโครงสร้างคู่ A:T และ C:G แล้ว ไม่นานหลังจากนั้น วัตสันและคริกก็ได้สร้างแบบจำลองเกลียวคู่ดีเอ็นเอพร้อมกับพันธะไฮโดรเจนที่แกนกลางของเกลียวซึ่งทำให้เกิดทางที่จะคล้ายเกลียวทั้งสองสำหรับการถอดแบบดีเอ็นเอ ซึ่งเป็นสิ่งต้องการสุดท้ายที่สำคัญสำหรับแบบจำลองโมเลกุลพันธุกรรมที่น่าจะเป็นไปได้
พร้อมกันนั้น การเข้าคู่เบสยังได้แสดงวิธีการทำสำเนาโมเลกุลดีเอ็นเออีกด้วย เพียงแค่ดึงสันหลังฟอสเฟตสองอันแยกจากกัน ซึ่งแต่ละสันหลังพร้อมกับส่วนประกอบ A, T, G และ C ซึ่งเชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจน แต่ละสายนั้นจะสามารถใช้เป็นแม่แบบสำหรับการรวมกลุ่มกันของสายคู่เบสใหม่
เมื่อวัตสันและคริกสร้างแบบจำลองเกลียวคู่ดีเอ็นเอของพวกเขา ก็เป็นที่รู้กันแล้วว่าโปรตีนนั้นก่อให้เกิดลักษณะพิเศษส่วนใหญ่ของรูปแบบสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันจำนวนมากบนโลก ซึ่งในทางโครงสร้างแล้ว โปรตีนเกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของหน่วยย่อยกรดอะมิโนเป็นสายยาว ในบางกรณี โมเลกุลทางพันธุกรรม ดีเอ็นเอ จำเป็นต้องมีคำสั่งสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนที่พบได้ในเซลล์ จากแบบจำลองเกลียวคู่ดีเอ็นเอ ก็เป็นที่ชัดเจนแล้วว่าจะต้องมีความสัมพันธ์กันระหว่างลำดับเส้นตรงของนิวคลีโอไทด์ในโมเลกุลดีเอ็นเอกับลำดับเส้นตรงของกรดอะมิโนในโปรตีน รายละเอียดที่ว่าลำดับดีเอ็นเอสั่งให้สังเคราะห์โปรตีนชนิดใดนั้นได้มีการหาคำตอบโดยนักชีววิทยาโมเลกุลระหว่างปี ค.ศ. 1953 ถึง 1965 ฟรานซิส คริกมีบทบาทสำคัญในทั้งทฤษฎีและการวิเคราะห์การทดลองซึ่งนำไปสู่การทำความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นของรหัสพันธุกรรม