Poznaj históriu genetiky, lepšie sa v nej zorientuješ v súčasnosti a uplatníš v budúcnosti.
Kedy sa začala písať história genetiky?
Genetika je pomerne mladou vedou. V priebehu relatívne krátkej histórie zažila celý rad významných objavov a míľnikov. Poznávanie histórie genetiky, ktorá sa začala písať až v 19. storočí, je dôležité pre pochopenie jej súčasnosti. K veľkému rozvoju genetiky prišlo v druhej polovici 20. storočia a dá sa očakávať, že rýchly progres bude pokračovať aj v 21. storočí. Pri jej zrode stál bývalý opát augustiánskeho kláštora v Brne – Gregor Johann Mendel. Popri G. J. Mendelovi ako zakladateľovi („otcovi“) klasickej genetiky, „krstnému otcovi“ názvu genetika – Wiliamovi Batesonovi a desiatke iných významných kreatívnych vedcov, treba pri rekapitulácii „autorov“ najdôležitejších genetických objavov, ktoré významne prispeli k posunu klasickej genetiky do oblasti molekulárnej, spomenúť dvojicu výnimočných, talentovaných vedcov a nositeľov Nobelovej ceny za medicínu a fyziológiu – Jamesa Dewey Watsona a Francisa Harry Compton Cricka.
Kľúčový objav v genetike
Kľúčovým medzníkom bol samozrejme objav štruktúry nositeľa genetickej informácie – molekuly DNA Američanom J. D. Watsonom a Britom F. H. C. Crickom, ktorí v roku 1953 v časopise Nature odbornej verejnosti predstavili štruktúrny model pravotočivej dvojzávitnice DNA. (Zlé jazyky tvrdia, že poradie autorov v tejto prelomovej publikácii určila dvojica hlavných protagonistov losovaním. Väčšie šťastie mal J. Watson, ktorému los prisúdil pozíciu prvého autora). Treba však podotknúť, že k objasneniu štruktúry DNA nedospeli iba brilantnou intuíciou a hlbokými teoretickými úvahami, ale aj vďaka pomoci vo forme röntgenovej (RTG) difrakčnej analýzy molekuly DNA, ktorú uskutočnili Maurice Hugh Frederick Wilkins a predovšetkým Rosalind Elsie Franklinová. RTG snímky kryštálov DNA tejto mladej ambicióznej odborníčky v oblasti RTG kryštalografie sa v tom období považovali za najlepšie a najkvalitnejšie, takže práve jej snímky nasmerovali J. Watsona a F. Cricka k odhaleniu „tajomstva života.“ Časopis Nature uverejnil v apríli 1953 nie jeden, ale tri krátke články o štruktúre DNA. Crickov a Watsonov sa síce ocitol na prvom mieste, no veľmi prínosné boli aj ďalšie dva. Spoluautorom druhého bol Maurice Wilkins. Pod tretím nájdeme meno Rosalind Franklinovej. Napriek tomu, že sa to často nespomína, ukázalo sa, že Rosalind Franklinová bola na stope štruktúry molekuly DNA skôr ako Watson s Crikom, avšak mala smolu, že ju v konečnej fáze tejto „súťaže“ predbehli. Britsko-americká dvojica ju predbehla so správnym riešením doslova o niekoľko dní.
Objav štruktúry nositeľa genetickej informácie sa považuje za jeden z najvýznamnejších objavov 20. storočia. Objav bol v roku 1962 ocenený najvyšším vedeckým vyznamenaním – Nobelovou cenou. Zatiaľ, čo M. H. Wilkins (nadriadený R. E. Franklinovej) získal Nobelovu cenu spolu s obidvomi svetoznámymi vedcami, na Rosalindu Franklinovú sa akosi pozabudlo… Ženy pracujúce vo vedeckom výskume boli a sú presvedčené, že to mohla spôsobiť zaujatosť vtedajšej vedeckej komunity, v tom období ovládanej mužmi, voči vedkyniam presadzujúcim sa vo vede/genetike. Príčinou mohla byť však aj skutočnosť, že R. Franklinová podľahla rakovine vaječníkov a zomrela príliš skoro, v roku 1958 iba ako tridsaťsedemročná, t. j. o štyri roky skôr ako J. Watson, F. Crick a M. Wilkins dostali Nobelovu cenu. Z pravidiel pre udeľovanie tohto ocenenia vyplýva, že cenu nie je možné udeliť posmrtne. Pravda bude teda asi niekde „uprostred“.
Popri celej plejáde vynikajúcich vedcov, mnohých „nobelistov“, na genetickej scéne sa objavila aj ďalšia vedecká dvojica – François Jacob a Jacques Lucien Monod, ktorí sú laickej verejnosti oveľa menej známi ako J. Watsonon a F. Crick, hoci ich príspevok k rozvoju molekulárnej genetiky mnohí odborníci považujú za porovnateľný s príspevkom ich slávnejších kolegov. V tomto článku sa pokúsime túto dvojicu predstaviť a zasvätiť čitateľov do ich životných príbehov úzko spätých s vedou.
Čím prispeli k rozvoju genetiky?
François Jacob a Jacques Monod, predpokladali že musí existovať nejaký posol/sprostredkovateľ medzi DNA a ribozómom, t. j. bunkovej štruktúre, na ktorej prebieha syntéza proteínu. Sprostredkovateľ sa nazýva messengerová RNA (mRNA). Usudzovali, že takáto molekula musí byť nestabilná, aby bakteriálna bunka mohla pohotovo reagovať na zmeny v prostredí. Podľa dnes už nespochybniteľnej skutočnosti, genetická informácia, ktorú nesie gén, sa realizuje, odborne povedané exprimuje, prepisom/transkripciou z poradia báz v molekule DNA do poradia báz v mediátorovej/messengerevej RNA (mRNA) a prekladom z poradia báz mRNA do poradia aminokyselín proteínu, t. j. procesom nazývaným translácia, respektíve proteosyntéza. RNA bola dlho chýbajúcim dielikom do skladačky princípu regulácie prenosu genetickej informácie u baktérií, ktorý J. Monod a F. Jacob pohotovo doplnili. Dvojica sa v Pasteurovom inštitúte v Paríži venovala štúdiu mechanizmu rozkladu sacharidu laktózy pomocou enzýmu β-galaktozidázy v baktériách Escherichia coli. Ukázalo sa, že enzým sa začne syntetizovať len vtedy, keď sa laktóza nachádza v kultivačnom médiu, t. j. dochádza k vyvolaniu (indukcii) syntézy. (Proces zapnutia expresie génov ako odpoveď na prítomnosť látky v prostredí sa nazýva indukcia a látka, ktorá ju vyvoláva sa nazýva induktor). β-galaktozidáza sa prestane syntetizovať, keď sa zásoba laktózy minie. Vtedy dochádza k potlačeniu jej syntézy (represii). (Proces vypnutia expresie génov ako odpoveď na vyčerpanie látky – enzymového substrátu v prostredí sa nazýva represia). Tieto poznatky dovolili nastoliť fundamentálnu otázku o vzťahu medzi génom, enzýmom a induktívnym substrátom (laktózou). Obaja vedci predpokladali, že musí existovať nejaká kontrola/regulácia syntézy tohto enzýmu v baktériách. Ich experimentálna práca v Pasteurovom inštitúte v Paríži vyvrcholila objavom univerzálneho princípu regulácie aktivity bakteriálnych génov v súčasnosti známej ako operónová regulácia. Vďaka ich vedeckej intuícii a skutočnosti, že boli na správnom mieste v správnom čase, sa podarilo definovať operón ako základnú regulačnú jednotku expresie génov baktérií. Pod správnym miestom treba rozumieť Pasteurov ústav v Paríži a pod správnym časom obdobie objavu mRNA a experimentálnych dôkazov potvrdzujúcich jej funkciu sprostredkovateľa pri syntéze proteínov.
Životný príbeh prvého z dvojice
François Jacob, jeden z dvoch členov výnimočnej dvojice vedcov, hrajúcej hlavnú úlohu v tomto príbehu, sa narodil v Nancy vo Francúzsku. Vo francúzskej metropole Paríž začal študovať medicínu so zámerom stať sa chirurgom. Jeho štúdium však prerušila 2. svetová vojna, počas ktorej sa ako dôstojník zúčastnil viacerých vojenských operácií v Afrike a v Normandii. Za mimoriadne zásluhy v týchto operáciách bol vyznamenaný najvyšším francúzskym vojenským vyznamenaním Croix de la Libération. Po vojne dokončil štúdium medicíny. Od roku 1950 začal pracovať v laboratóriu, ktoré viedol André Lwoff (1902 – 1994) v Pasterovom inštitúte. Napriek tomu, že v roku 1954 úspešne obhájil na parížskej univerzite Sorbonne doktorskú dizertáciu, iste v tom čase netušil, že raz bude spolutvorcom operónovej hypotézy objasňujúcej princípy regulácie expresie prokaryotických génov.
Odhalenie enzymatickej indukcie β-galaktozidázy viedlo Françoisa Jacoba a Jacquesa Monoda k štúdiu regulačných mechanizmov usmerňujúcich syntézu enzýmov v bakteriálnej bunke a k poznatku, že u baktérií sa funkčne príbuzné gény často vyskytujú v koordinovane regulovaných jednotkách nazývaných operóny. V poslednej dekáde života prekvapivo obrátil François Jacob svoje vedecké nadšenie a výskumné zámery na štúdium počiatočných štádií vývoja myšacích embryí. François Jacob navždy odišiel 19. apríla v roku 2013 t. j. 48 rokov po tom, ako získal najvyššie vedecké vyznamenanie – Nobelovu cenu.
Životný príbeh druhého z dvojice
Jacques Lucien Monod, druhý člen dvojice geniálnych vedcov, sa narodil v Paríži v rodine francúzskeho maliara-portrétistu a Američanky. Strednú školu navštevoval v slnečnom Cannes. V roku 1928 začal študovať prírodné vedy na parížskej Sorbonne. Záujem o prírodné vedy v ňom vyvolal otec-umelec, ktorý sa nikdy netajil kladným postojom k učeniu Charlesa Darwina. Mladý Monod sa aj vďaka pozitívnemu vplyvu otca pustil s veľkým nasadením do štúdia a experimentovania. Už v roku 1931 dosiahol prvú vedeckú hodnosť a v roku 1940 dokonca obhájil aj doktorát. Úspešnú vedecko-pedagogickú kariéru naštartoval v roku 1934 prednáškami na Fakulte prírodných vied na Sorbonne. O dva roky neskôr sa mu podarilo získať prestížny Rockefellerov grant, vďaka ktorému sa dostal na Technologický inštitút v americkej Californii, kde študoval genetiku. Neskôr J. L. Monod nastúpil do Pasteurovho inštitútu. Počas 2. svetovej vojny sa podobne ako F. Jacob zapojil do vojenských operácií a participoval na príprave protifašistickej aliancie na vylodenie spojencov v Normandii. Súčasne pokračoval v experimentálnej práci s baktériami v Pateurovom inštitúte. Je zaujímavé, že hoci Monod strávil rok v USA v laboratóriu významného klasického genetika Thomasa Hunta Morgana, genetický výskum realizovaný na banánovej muške (drozofile) ho nezaujal a nestal sa predmetom jeho ďalšieho vedeckého záujmu. Jeho jednoznačnou prioritou bolo štúdium regulácie syntézy bakteriálnych enzýmov. J. L. Monod navždy opustil svojich najbližších a vedeckú komunitu v máji roku 1976.
Rovnocenná dvojica
J. L. Monod a jeho blízky spolupracovník F. Jacob sa všeobecne považujú za dvojicu rovnocennú J. Watsonovi a F. Crickovi a to i napriek tomu, že Watson a Crick boli verejnosti známejší vďaka tomu, že objasnili štruktúru DNA. Boli to ale práve J. L. Monod a F. Jacob, ktorí ako prví zrozumiteľne vysvetlili, ako gény „pracujú“. Ako prví pochopili, že gény sa podľa potrieb bakteriálnej bunky buď exprimujú (zapínajú) alebo umlčujú (vypínajú), ako keby bakteriálna bunka „vedela“, ako má syntetizovať správny enzým v správnom čase. Vypnutím expresie génov organizmus šetrí energiou, ktorú môže potom využiť na syntézu iných génových „produktov“, napr. molekúl RNA alebo proteínov, ktoré môžu zabezpečiť jeho maximálny rast. J. Jacob a F. Monod navrhli a objasnili celý rad nových pojmov, napríklad mRNA, regulačné gény, štruktúrne gény, alosterické proteíny, atď. Jacob a Monod nielenže nezmazateľne ovplyvnili a posunuli klasickú genetiku do nových „oblastí“, ale pomohli začať „písať“ novú etapu genetiky – molekulárnej genetiky a nevedomky položili aj základy pre biotechnológie.
Viacerí vedci kráčajúci v šľapajach F. Jacoba a J. Monoda sa pokúšali nájsť špecifické induktory aj pre vyššie (eukaryotické) organizmy. Napriek tomu, že sa ich snahy stretli s úspechom, zdá sa, že u vyšších organizmov je celkový rozsah indukcie faktormi výživy podstatne nižší než u baktérií. Génová expresia však môže byť u nich indukovaná teplom, svetlom alebo aj hormónmi.
Najprv neznámi, potom slávni
Jacoba a Monoda operónová hypotéza regulácie expresie prokaryotických génov postavila na piedestál svetovej vedy a ich geniálna experimentálna stratégia a výnimočná vedecká intuícia prispeli k tomu, že ich vedecko-výskumná práca bola v roku 1965 ocenená Nobelovou cenou, ktorú získali paradoxne tiež v trojici (s Andrém Lwoffom), podobne ako ich známejší kolegovia Watson a Crick (s Maurice Wilkinsom). Z dnešného hľadiska je nepochopiteľné, že kľúčový význam ich vedeckej práce zostal dlhé obdobie nepovšimnutý a možno aj nepochopený, obaja vedci boli viac-menej neznámi dokonca aj v ich rodnej krajine – Francúzsku a vlastní krajania si ich začali všímať, vážiť a oslavovať až potom, ako sa stali laureátmi Nobelovej ceny.
Autor: prof. RNDr. Eva Miadoková, DrSc. pre redakciu Veda na dosah, Katedra genetiky Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského v Bratislave
Foto François Jacob: https://en.wikipedia.org/wiki/Fran%C3%A7ois_Jacob
Foto Jacques Lucien Monod: https://en.wikipedia.org/wiki/Jacques_Monod
Ilustračné foto: Pixabay.com /Clker-Free-Vector-Images/
Redigovala a uverejnila: VČ