Dobbeltjubileum på DNA-dagen! Og noen betenkeligheter.

DNA-molekyl i regnbuefarger
I mange tiår etter at man hadde oppdaget nukleinsyrer som utgjør DNA og RNA, visste man ikke hvilken funksjon de hadde. Oppdagelsen av DNA som bærer av arvestoff har revolusjonert medisin og biologi som fag.Foto: istock / Dr Microbe

KUNNSKAP FRA KRISTIANIA: DNA 

Historien om DNA begynner på slutten av 1800-tallet med oppdagelsen av nukleinsyrer, molekylene som utgjør DNA og RNA.

I 1869 isolerte den sveitsiske biokjemikeren Friedrich Miescher et stoff fra kjernene i hvite blodceller som han kalte «nuclein» etter ordet for kjerne på latin: nucleus.  

Han oppdaget senere at nuclein gikk over til fast stoff når man tilsatte en syre, og løste seg opp når man tilsatte en base. Han beskrev derfor stoffet som en nukleinsyre, og dette er beholdt i ordet DNA: DeoksyriboNucleicAcid. 

DNA bærer genetisk informasjon 

I de neste tiårene fortsatte forskere å studere nukleinsyrer rent kjemisk, men deres funksjon forble et mysterium.

Det var ikke før på begynnelsen av 1900-tallet at forskere begynte å mistenke at nukleinsyrer kunne spille en rolle i arvelighet av ulike egenskaper hos organismer.  

I 1944 kom gjennombruddet: de amerikanske bakteriologene Oswald Avery, Colin MacLeod og Maclyn McCarty identifiserte DNA som selve «transformeringsfaktoren» – altså bæreren av genetisk informasjon. 

Deretter fulgte et kappløp for å beskrive strukturen til dette mystiske molekylet som kunne overføre informasjon fra én generasjon til den neste.  

Laboratoriepersonell med munnbind og hansker kikker i mikroskop
I 1978 ble genet for insulin klonet inn i E. coli-bakterier. Dette gjorde det mulig å produsere insulin i stor skala, noe som revolusjonerte diabetesbehandling.Foto: istock / RyanKing999

Det genetiske alfabet 

Det neste gjennombruddet kom i 1952, da den britiske forskeren Rosalind Franklin og hennes kollega Maurice Wilkins brukte røntgenkrystallografi, en spesiell form for røntgenbilder, for å studere strukturen av DNA. De produserte høykvalitetsbilder av molekylet som viste at det antakelig hadde en spiralform (heliks).  

I februar 1953 fikk dette den verdensberømte kjemikeren Linus Pauling til å foreslå at DNA hadde form av en trippel-heliks med baser (stigetrinn) stikkende ut på sidene. Dette viste seg raskt å være feil (uten at det gjorde Pauling mindre berømt; han skulle få Nobelprisen året etter for sitt arbeid med oppbyggingen av kjemiske bindinger). 

Oppdagelsen av DNA-strukturen hadde en revolusjonerende innvirkning på biologi og medisin.  

Omtrent samtidig arbeidet den amerikanske biologen James Watson og den britiske fysikeren Francis Crick ved University of Cambridge med sin egen modell av DNA-strukturen. De brukte Franklin og Wilkins' informasjon fra gjennombruddet i 1952 for å lage en DNA-modell som passet til alle tilgjengelige bevis.   

De bygget modellen rent fysisk av papp og ståltråd, og dette var sentralt for Watson da han i et «Eureka-øyeblikk» oppdaget at basenes («trinnene» i stigen) form passet sammen parvis: A med T og G med C.  

I dag er dette kjent som det genetiske alfabetet. 

Sammen med Franklins røntgenbilder kunne de resonnere seg frem til at trinnene måtte vende inn mot hverandre og ha form som en dobbel heliks. Det har senere blitt tydelig at Watson og Crick ikke hadde kunnet gjøre dette hadde det ikke vært for at Wilkins (uten at Franklin visste det) viste frem upubliserte bilder til Watson, som umiddelbart tegnet bildet på baksiden av en utgave av The Times of London og tok det med tilbake til Cambridge.  

Den 25. april 1953 publiserte Watson og Cricks en kort artikkel i Nature sammen med denne skissen av DNA-molekylets struktur. Artikkelen fremstilte alt man så langt visste om DNA, og var banebrytende. Cricks kone Odile hadde tegnet skissen.Foto: Francis Cricks kone Odile.

Den 25. april 1953 publiserte de en artikkel i tidsskriftet Nature på kun 842 ord, men med meget tettpakket informasjon og en nå velkjent figur av en vridd stige med trinnene vendt innover. Figuren ble for øvrig tegnet av Cricks kone, Odile. 

James Watson og Francis Crick med fysisk modell av DNA-molekylet
James Watson og Francis Crick viser DNA-modellen sin. Den 25. april 1953 publiserte de en kort artikkel i Nature, der de forklarte DNA-strukturen.

Oppdagelsen av hvordan egenskaper går i arv 

Oppdagelsen av strukturen til DNA var resultatet av arbeidet til mange forskere over flere tiår, som kulminerte i James Watson og Francis Cricks banebrytende arbeid i 1953.  

Oppdagelsen skulle vise seg å ha en revolusjonerende innvirkning på biologi og medisin.  

Særlig én egenskap ved den nye strukturen viste seg særlig viktig: Den ene tråden kan fungere som utgangspunkt for den andre tråden når DNA skal kopieres for å bringes videre til neste generasjon.  

Bare noen år senere skulle Crick dessuten foreslå en teori om at rekkefølgen av basene i DNA bestemte rekkefølgen av aminosyrer i proteiner. Dette bidro igjen til å bestemme funksjonen til et protein.  

Det tok imidlertid nærmere 20 år før arbeidet virkelig skulle revolusjonere biologien. 

Rekkefølgen i livets «alfabetet» blir kartlagt 

På begynnelsen av 1970-tallet ble det utviklet metoder for å finne den eksakte rekkefølgen av baser i DNA, også kalt sekvensering. I begynnelsen var dette en meget omstendelig prosess.  

Men etter hvert som bedre metoder ble utviklet, begynte man å leke med tanken om å sekvensere hele arvematerialet til organismer. Den første organismen som ble sekvensert, var bakterien Haemophilus influenzae i 1995.  

Genomet, det vil si alt arvemateriale i hver celle hos bakterien, altså hele DNA-«teksten» i alle kromosomene til sammen, bestod av ca 1,8 millioner baser. Å skulle kartlegge hele menneskets genom på 3 milliarder baser bød på en betydelig utfordring.  

Løsningen ble The Human Genome Project, et internasjonalt samarbeidsprosjekt som ble startet i 1990, hvor laboratorier verden over samarbeidet om å sekvensere ulike deler av menneskets genom. Sekvensering innebærer enkelt sagt å finne rekkefølgen av alle bokstavene i den genetiske koden.   

Ferdigstillingen av hele genomet ble fullført i april 2003, ikke tilfeldig, siden det da var 50 år siden publiseringen av Watson og Crick sin banebrytende artikkel.   

Temamagasin innovasjon

I 1974 ba en gruppe forskere om at eksperimenteringen skulle stanses midlertidig inntil man hadde bedre oversikt over mulige konsekvenser av genredigering.

Klipp og lim 

Omtrent samtidig som sekvenseringsprinsippene ble utviklet på tidlig 70-tall ble det også oppdaget såkalte restriksjonsenzymer, små proteiner som kunne klippe og lime i DNA!  

Dette gjorde det mulig å redigere den genetiske koden, og moderne bioteknologi begynte å ta sin form. Disse gjennombruddene, og flere som fulgte i årene etter, bygget på oppdagelsen av DNAets struktur. Nye, viktige fagfelt innen vitenskap og medisin oppstod. 

  • Arv: Oppdagelsen av DNAs struktur ga grunnlaget for å forstå hvordan genetisk informasjon overføres fra en generasjon til den neste. 
  • Molekylærbiologi: Hvordan gener skrus av og på under fosterutviklingen og gjennom livet reguleres av et komplekst maskineri av molekyler som alle har sine «arbeidstegninger» nedfelt i DNAets kode. Feltet er i dag en sentral del av biologien.
  • Medisin: Oppdagelsen av det genetiske grunnlaget for en rekke sykdommer har gjort det mulig å utvikle både diagnostiske og terapeutiske verktøy. For eksempel har DNA-sekvenseringsteknologi revolusjonert den medisinsk forskningen: gensekvensen din kan påvirke alt fra sykdomsrisiko til fysiologisk respons på medisiner. Dette har ført til fremveksten av konseptet personlig medisin – at kunnskap om et menneskes genom vil gjøre det mulig å gi best mulig behandling og avgjøre hvilken type medikamenter som vil virke best for den enkelte pasient.
  • Bioteknologi: Redigering av genomer og såkalt rekombinant DNA-teknologi, det vil si DNA-et etter at det har «limt seg sammen» igjen gjennom cellenes egne reparasjonssystemer, brukes innen en rekke områder. Blant de mest berømte eksemplene på genteknologi kan nevnes kloningen av insulin: I 1978 ble genet for insulin klonet inn i E. coli-bakterier. Dette gjorde det mulig å produsere insulin i stor skala, noe som revolusjonerte diabetesbehandling. Kloning og produksjon av proteiner i bakterier er i dag viktige verktøy innen medisinsk forskning og behandling. Produksjon av medisiner, biodrivstoff, landbruksforbedring og miljøforbedring er noen av bruksområdene.

Etiske betenkeligheter  

Både oppdagelsen av dobbeltheliksen og sekvenseringen av det humane genomet gjorde at allmenheten så vel som det vitenskapelige miljøet satte spørsmåltegn ved etikken i vitenskapen.

Oppdagelsen av DNA-strukturen og den senere utviklingen av redigeringsmuligheter i DNA gjorde sågar at oppdageren av restriksjonsenzymene (se over) var blant forskerne som i 1974 som ba om et moratorium på rekombinante DNA eksperimenter – de ville at eksperimenteringen skulle stanses midlertidig inntil man hadde bedre oversikt over mulige konsekvenser av genredigering. 

Da The Human Genome Project (HGP) ble ferdigstilt vakte det tilsvarende bekymringer: ville man nå kunne avdekke «genetiske hemmeligheter» hos mennesker og potensielt misbruke disse? Forsikringsselskaper kan for eksempel gi høyere forsikringspremier dersom man er disponert for visse sykdommer.  

HGP har også revolusjonert feltet for rettsmedisin, og gjort det mulig å identifisere personer fra ekstremt små prøver av biologisk materiale, som for eksempel spytt på limet til en konvolutt, eller et enkelt hårstrå. Dette har fått myndighetene i flere land til å opprette DNA-databaser over alle som er dømt i straffesaker slik at de senere enkelt kan bli identifisert dersom de skulle begå forbrytelser igjen. 

CRISPR – den mest brukte genredigeringsteknikken i dag

De siste årene har imidlertid etikken rundt genredigering fått mest oppmerksomhet. Tidligere var dette en omstendelig og upresis prosess. Med utviklingen av en teknikk som kalles CRISPR kan genomet hos en hvilken som helst organisme redigeres enkelt, presist og uten å etterlate spor.  

I 2018 sjokkerte den kinesiske forskeren He Jiankui verden da han kunngjorde at tvillingjentene Lulu og Nana var født med modifisert DNA for å gjøre dem resistente mot HIV. Han ble fordømt av vitenskapsfolk verden over og ble dømt til tre års fengsel for «illegal medisinsk behandling».  

Senere har CRISPR blitt brukt til å behandle alvorlig sykdom hos voksne mennesker: I 2019 ble Victoria Grey kurert for sigdcelleanemi ved at hennes egne stamceller ble hentet ut fra blodet hennes, endret med CRISPR for å korrigere mutasjonen som gir sigdcelleanemi, og returnerte til kroppen hennes. Hun er i dag helt frisk og et eksempel på at genterapi har tatt store steg fremover. 

Til tross for de siste tiårenes kjempeskritt fremover vil nok DNAets hemmeligheter og muligheter sette preg på biologien langt inn fremtiden. Det blir særs viktig å balansere mellom etikk og nytte for menneskeheten.   

Hva betyr uttrykkene?

Genom: den totale mengden arvemateriale i en celle, altså hele DNA-sekvensen som finnes i alle kromosomene til sammen.  

Sekvensering: å kartlegge hele DNA-et i en organisme, nærmere bestemt rekkefølgen av alle basene («bokstavene» i det genetiske alfabetet).  

Rekombinant DNA: DNA som har blitt redigert og satt sammen på en ny måte (rekombinert).

CRISPR: genredigeringsteknikk utviklet av blant annet Emanuelle Charpentier og Jennifer Doudna, som i 2020 fikk Nobelprisen i kjemi.

Siste nytt fra Kunnskap Kristiania

  • Når mennesker og maskiner samarbeider for helsa vår
    Kunnskap Kristiania

    Når mennesker og maskiner samarbeider for helsa vår

    I fremtiden vil roboter og kroppsnær teknologi kunne hjelpe oss å hjelpe hverandre.
    Les mer
  • Telemedicine: How new technologies can bring medical care to people in remote areas
    Kunnskap Kristiania

    Telemedicine: How new technologies can bring medical care to people in remote areas

    The introduction of AI and smart technology is paving the way for more proactive, personalized, and accessible medical services.
    Les mer
  • En bærekraftig framtid er digital
    Kunnskap Kristiania

    En bærekraftig framtid er digital

    Innovative plattformer bidrar til at vi utnytter ressurser på en mer effektiv måte, og viser veien for hvordan fremtiden kan formes bærekraftig.
    Les mer
  • Årskavalkaden - våre mest populære artikler i 2023
    Kunnskap Kristiania

    Årskavalkaden - våre mest populære artikler i 2023

    Kunnskap Kristiania gir smakebiter fra høyskolens forskning, kunstnerisk utviklingsarbeid, fagkunnskap og samfunnsdebatt. Dette var lesernes favoritter i 2023.
    Les mer