Αν αναλύσουμε το θέμα του DNA χρησιμοποιώντας τους απλούστερους δυνατούς όρους, διαπιστώνουμε ότι είναι αρκετά κατανοητό​—αλλά και συναρπαστικό. Ας κάνουμε λοιπόν ένα ακόμη ταξίδι στο εσωτερικό του κυττάρου. Αυτή τη φορά, όμως, θα επισκεφτούμε ένα ανθρώπινο κύτταρο. Φανταστείτε ότι πηγαίνετε σε ένα μουσείο που έχει σχεδιαστεί για να σας δείξει τη λειτουργία ενός τέτοιου κυττάρου. Ολόκληρο αυτό το μουσείο αποτελεί αναπαράσταση ενός τυπικού ανθρώπινου κυττάρου, μεγεθυσμένου όμως 13.000.000 φορές. Έχει το μέγεθος ενός γιγαντιαίου σταδίου, χωρητικότητας περίπου 70.000 θέσεων.

Μπαίνετε στο μουσείο και κοιτάζετε έκθαμβοι αυτόν τον καταπληκτικό χώρο ο οποίος είναι γεμάτος από περίεργους σχηματισμούς και κατασκευές. Κοντά στο κέντρο του κυττάρου υπάρχει ο πυρήνας, μια σφαίρα ύψους 20 περίπου ορόφων. Κατευθύνεστε λοιπόν προς τα εκεί.

Μπαίνετε από μια πόρτα που βρίσκεται στο εξωτερικό περίβλημα, δηλαδή τη μεμβράνη, του πυρήνα, και κοιτάζετε γύρω. Στο θάλαμο αυτόν δεσπόζουν 46 χρωμοσώματα. Διευθετημένα σε πανομοιότυπα ζεύγη, διαφέρουν σε ύψος, αλλά το ζεύγος που βρίσκεται δίπλα σας έχει ύψος 12 περίπου ορόφων (1). Το κάθε χρωμόσωμα έχει μια περίσφιγξη κοντά στη μέση, γι’ αυτό και μοιάζει κάπως με δύο λουκάνικα ενωμένα μεταξύ τους, αλλά έχει το πάχος ενός ογκώδους κορμού. Βλέπετε αρκετές ζώνες να τυλίγουν τα ομοιώματα των χρωμοσωμάτων. Καθώς πλησιάζετε, βλέπετε ότι η κάθε οριζόντια ζώνη χωρίζεται από κάθετες γραμμές. Ανάμεσα σε αυτές υπάρχουν μικρότερες οριζόντιες γραμμές (2). Μήπως είναι στοίβες βιβλίων; Όχι. Πρόκειται για άκρες από θηλιές που είναι πακεταρισμένες σφιχτά σε στήλες. Τραβάτε μία και αποδεσμεύεται. Έκπληκτοι, βλέπετε ότι η θηλιά αποτελείται από μικρότερες περιελίξεις (3), διευθετημένες και αυτές με τάξη. Μέσα σε αυτές τις περιελίξεις βρίσκεται το κύριο χαρακτηριστικό όλης αυτής της διάταξης​—κάτι που μοιάζει με ένα πολύ μακρύ σχοινί. Τι είναι αυτό;

Η ΔΟΜΗ ΕΝΟΣ ΚΑΤΑΠΛΗΚΤΙΚΟΥ ΜΟΡΙΟΥ

Για λόγους απλότητας, αυτό το τμήμα του ομοιώματος του χρωμοσώματος θα το αποκαλέσουμε σχοινί. Έχει πάχος περίπου 2,5 εκατοστά. Είναι τυλιγμένο σφιχτά σε καρούλια (4), με τη βοήθεια των οποίων οι περιελίξεις του βρίσκονται μέσα σε άλλες περιελίξεις. Αυτές είναι στερεωμένες σε ένα είδος σκαλωσιάς που τις συγκρατεί. Μια επιγραφή δίπλα στο έκθεμα εξηγεί ότι το σχοινί είναι πακεταρισμένο με πολύ επιδέξιο τρόπο. Αν τραβήξετε το σχοινί του καθενός από αυτά τα ομοιώματα των χρωμοσωμάτων και το τεντώσετε ολόκληρο, θα καλύψει απόσταση ίση με το μισό περίπου της περιφέρειας της γης!a

Κάποιο επιστημονικό βιβλίο αποκαλεί αυτό το επιδέξιο πακετάρισμα «εξαιρετικό επίτευγμα μηχανικής».¹⁸ Σας φαίνεται λογική η άποψη ότι αυτό το επίτευγμα δεν οφείλεται σε κάποιον μηχανικό; Αν αυτό το μουσείο είχε ένα τεράστιο κατάστημα με εκατομμύρια αντικείμενα προς πώληση και όλα αυτά ήταν τόσο καλά τακτοποιημένα ώστε να μπορείτε να βρείτε εύκολα οτιδήποτε χρειάζεστε, θα συμπεραίνατε ότι αυτόν το χώρο δεν τον είχε οργανώσει κανείς; Όχι βέβαια! Ωστόσο, μια τέτοια τακτοποίηση θα ήταν συγκριτικά απλό επίτευγμα.

Μια άλλη επιγραφή σε αυτό το έκθεμα σας προτείνει να πάρετε στα χέρια σας ένα τμήμα αυτού του σχοινιού για να το παρατηρήσετε καλύτερα (5). Καθώς το ψηλαφείτε, βλέπετε ότι δεν πρόκειται για συνηθισμένο σχοινί. Αποτελείται από δύο κλώνους τυλιγμένους μεταξύ τους. Οι κλώνοι αυτοί συνδέονται με μικροσκοπικές ράβδους, τοποθετημένες ανά ίσα διαστήματα. Ολόκληρο το σχοινί είναι σαν ανεμόσκαλα που έχει συστραφεί με αποτέλεσμα να μοιάζει με σπειροειδή σκάλα (6). Τότε συνειδητοποιείτε ότι κρατάτε στα χέρια σας ένα ομοίωμα του μορίου του DNA​—ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια της ζωής!

Ένα μόριο DNA, πακεταρισμένο σφιχτά με τα καρούλια και τη σκαλωσιά του, αποτελεί ένα χρωμόσωμα. Τα σκαλοπάτια της ανεμόσκαλας είναι γνωστά ως ζευγάρια βάσεων (7). Ποιος είναι ο ρόλος τους; Σε τι χρησιμεύει όλο αυτό; Μια επιγραφή το εξηγεί με απλά λόγια.

ΤΟ ΑΠΟΛΥΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ

Όπως λέει η επιγραφή, το κλειδί για την κατανόηση του DNA έγκειται σε αυτά τα σκαλοπάτια, τις ράβδους που ενώνουν τις δύο πλευρές της ανεμόσκαλας. Φανταστείτε την ανεμόσκαλα χωρισμένη στα δύο. Από κάθε πλευρά προεξέχουν τμήματα των σκαλοπατιών. Υπάρχουν τέσσερα μόνο είδη τέτοιων τμημάτων. Οι επιστήμονες τα αποκαλούν A, T, G και C. Μάλιστα έμειναν έκπληκτοι όταν ανακάλυψαν ότι η σειρά αυτών των γραμμάτων μεταφέρει πληροφορίες σε μορφή κώδικα.

Ίσως γνωρίζετε ότι ο κώδικας Μορς επινοήθηκε το 19ο αιώνα για να μπορούν οι άνθρωποι να επικοινωνούν με τον τηλέγραφο. Εκείνος ο κώδικας είχε δύο μόνο «γράμματα»​—μια τελεία και μια παύλα. Ωστόσο, μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει αναρίθμητες λέξεις ή προτάσεις. Το DNA έχει έναν κώδικα με τέσσερα γράμματα. Η σειρά με την οποία εμφανίζονται αυτά τα γράμματα​—το A, το T, το G και το C​—σχηματίζει «λέξεις» που αποκαλούνται κωδικόνια. Τα κωδικόνια σχηματίζουν «ιστορίες» οι οποίες αποκαλούνται γονίδια. Το κάθε γονίδιο περιέχει κατά μέσο όρο 27.000 γράμματα. Αυτά τα γονίδια και τα μεγάλα τμήματα που υπάρχουν ανάμεσά τους απαρτίζουν τα χρωμοσώματα, τα οποία αποτελούν, σαν να λέγαμε, τα κεφάλαια του βιβλίου. Χρειάζονται 23 χρωμοσώματα για να σχηματιστεί ολόκληρο το «βιβλίο»​—το γονιδίωμα, δηλαδή το σύνολο των γενετικών πληροφοριών ενός οργανισμού.b

Αν το γονιδίωμα ήταν όντως βιβλίο, θα είχε τεράστιο μέγεθος. Πόσες πληροφορίες θα περιείχε; Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται συνολικά από τρία περίπου δισεκατομμύρια ζευγάρια βάσεων, δηλαδή σκαλοπάτια, στην ανεμόσκαλα του DNA.¹⁹ Φανταστείτε μια εγκυκλοπαίδεια στην οποία ο κάθε τόμος έχει πάνω από χίλιες σελίδες. Το γονιδίωμα θα γέμιζε 428 τέτοιους τόμους. Μαζί με το αντίγραφό του που βρίσκεται σε κάθε κύτταρο θα έφτανε συνολικά τους 856 τόμους. Αν δακτυλογραφούσατε μόνοι σας το περιεχόμενο του γονιδιώματος, θα έπρεπε να εργάζεστε με πλήρες ωράριο​—χωρίς να παίρνετε άδεια—​επί 80 χρόνια!

Βέβαια, το αποτέλεσμα όλης αυτής της εργασίας θα ήταν άχρηστο για το σώμα σας. Πώς θα ήταν δυνατόν να χωρέσετε εκατοντάδες ογκώδεις τόμους στο καθένα από τα 100 τρισεκατομμύρια μικροσκοπικά κύτταρά σας; Η συμπύκνωση τόσων πληροφοριών σε τέτοιον βαθμό ξεπερνά κατά πολύ τις δυνατότητές μας.

Κάποιος καθηγητής της μοριακής βιολογίας και της επιστήμης των υπολογιστών επισήμανε: «Ένα γραμμάριο DNA, το οποίο σε ξηρή μορφή θα είχε όγκο περίπου ένα κυβικό εκατοστό, μπορεί να χωρέσει ποσότητα πληροφοριών για την οποία θα χρειάζονταν περίπου ένα τρισεκατομμύριο CD [ψηφιακοί δίσκοι]».²⁰ Τι σημαίνει αυτό; Θυμηθείτε ότι το DNA περιέχει τα γονίδια, τις οδηγίες που απαιτούνται για να φτιαχτεί ένα μοναδικό ανθρώπινο σώμα. Κάθε κύτταρο έχει ένα πλήρες σετ οδηγιών. Η περιεκτικότητα του DNA σε πληροφορίες είναι τόσο μεγάλη ώστε ένα και μόνο κουταλάκι του γλυκού θα μπορούσε να χωρέσει τις οδηγίες που απαιτούνται για να κατασκευαστεί ολόκληρος ο σημερινός πληθυσμός της γης περίπου 350 φορές! Το DNA που χρειάζεται για τους εφτά δισεκατομμύρια κατοίκους της γης ίσα που θα σχημάτιζε μια λεπτή μεμβράνη στην επιφάνεια του κουταλιού.²¹

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΣΕ ΚΙΝΗΣΗ

Καθώς στέκεστε στο ήσυχο περιβάλλον του μουσείου, αναρωτιέστε αν και στον πυρήνα του κυττάρου είναι όλα έτσι ακίνητα. Τότε βλέπετε ένα άλλο έκθεμα. Πάνω από μια γυάλινη προθήκη που περιέχει ένα ομοίωμα τμήματος του DNA υπάρχει μια επιγραφή που λέει: «Πατήστε το Κουμπί για Παρουσίαση στην Οθόνη». Πατάτε το κουμπί και ο αφηγητής εξηγεί: «Το DNA κάνει τουλάχιστον δύο πολύ σημαντικές εργασίες. Η πρώτη ονομάζεται αντιγραφή. Το DNA πρέπει να αντιγράφεται ώστε κάθε νέο κύτταρο να έχει ένα πλήρες αντίγραφο των ίδιων γενετικών πληροφοριών. Παρακαλούμε δείτε την ακόλουθη προσομοίωση».

Μέσα από μια πόρτα στην άκρη της οθόνης βγαίνει ένας πολυσύνθετος μηχανισμός. Πρόκειται στην ουσία για μια ομάδα ρομπότ στενά συνδεδεμένων μεταξύ τους. Ο μηχανισμός αυτός πηγαίνει στο DNA, προσδένεται σε αυτό και αρχίζει να κινείται κατά μήκος του όπως το τρένο στη σιδηροτροχιά. Κινείται κάπως γρήγορα και δεν προλαβαίνετε να δείτε τι ακριβώς κάνει, αλλά διακρίνετε αμέσως ότι πίσω του υπάρχουν τώρα δύο πλήρη «σχοινιά» DNA αντί για ένα.

Ο αφηγητής εξηγεί: «Βλέπετε μια υπεραπλουστευμένη παρουσίαση του τι συμβαίνει κατά την αντιγραφή του DNA. Μια ομάδα μοριακών μηχανών που ονομάζονται ένζυμα κινείται κατά μήκος του DNA, το χωρίζει πρώτα στα δύο, και μετά χρησιμοποιεί τον κάθε κλώνο ως πρότυπο για να κατασκευάσει έναν νέο, συμπληρωματικό κλώνο. Δεν μπορούμε να σας δείξουμε όλα όσα περιλαμβάνονται στη διαδικασία​—λόγου χάρη τη μικροσκοπική συσκευή που τρέχει μπροστά από το μηχανισμό αντιγραφής και κόβει τη μια πλευρά του DNA ώστε αυτό να μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα αντί να τυλίγεται πολύ σφιχτά. Ούτε μπορούμε να σας δείξουμε πώς ελέγχεται το DNA για τυχόν λάθη και μάλιστα αρκετές φορές. Αφού εντοπιστούν τα λάθη, διορθώνονται με καταπληκτική ακρίβεια».​—Βλέπε διάγραμμα στις σελίδες 16 και 17.

Ο αφηγητής συνεχίζει: «Αυτό που μπορούμε να σας δείξουμε καθαρά είναι η ταχύτητα. Ασφαλώς προσέξατε ότι αυτό το ρομπότ κινείται αρκετά γρήγορα. Η πραγματική ενζυμική μηχανή κινείται κατά μήκος της “σιδηροτροχιάς” του DNA με ταχύτητα περίπου 100 σκαλοπάτια, δηλαδή ζευγάρια βάσεων, κάθε δευτερόλεπτο.²³ Αν η “σιδηροτροχιά” του DNA είχε το μέγεθος τροχιάς σιδηροδρόμου, η συγκεκριμένη “μηχανή” θα έτρεχε με ταχύτητα 80 και πλέον χιλιομέτρων την ώρα. Στα βακτήρια, αυτές οι μικρές μηχανές αντιγραφής μπορούν να κινούνται δέκα φορές πιο γρήγορα! Στο ανθρώπινο κύτταρο, ολόκληρες στρατιές από εκατοντάδες τέτοιες μηχανές αντιγραφής λειτουργούν σε διαφορετικά σημεία κατά μήκος της “σιδηροτροχιάς” του DNA. Αντιγράφουν ολόκληρο το γονιδίωμα μέσα σε οχτώ μόνο ώρες».²⁴ (Βλέπε το πλαίσιο «Ένα Μόριο που Διαβάζεται και Αντιγράφεται», στη σελίδα 20.)

ΠΩΣ «ΔΙΑΒΑΖΕΤΑΙ» ΤΟ DNA

Τα ρομπότ-αντιγραφείς του DNA αποχωρούν. Εμφανίζεται τώρα μια άλλη μηχανή. Και αυτή μετακινείται κατά μήκος ενός τμήματος του DNA, αλλά πιο αργά. Βλέπετε το «σχοινί» του DNA να μπαίνει από τη μια άκρη της μηχανής και να βγαίνει από την άλλη​—ίδιο και απαράλλαχτο. Ωστόσο, ένας καινούριος, μονός κλώνος, βγαίνει από ένα άλλο άνοιγμα της μηχανής, σαν ουρά που μεγαλώνει. Τι συμβαίνει;

Και πάλι ο αφηγητής εξηγεί: «Η δεύτερη εργασία του DNA ονομάζεται μεταγραφή. Το DNA δεν εγκαταλείπει ποτέ το ασφαλές περιβάλλον του πυρήνα. Πώς, λοιπόν, μπορούν να διαβάζονται και να χρησιμοποιούνται τα γονίδιά του​—οι συνταγές για όλες τις πρωτεΐνες από τις οποίες αποτελείται το σώμα σας; Η ενζυμική αυτή μηχανή εντοπίζει ένα σημείο του DNA στο οποίο έχει ενεργοποιηθεί ένα γονίδιο από χημικά σήματα που προέρχονται από το εξωτερικό του πυρήνα. Τότε χρησιμοποιεί ένα μόριο που λέγεται RNA (ριβονουκλεϊνικό οξύ) για να αντιγράψει αυτό το γονίδιο. Το RNA μοιάζει πολύ με μονό κλώνο του DNA, αλλά είναι διαφορετικό. Δουλειά του είναι να παίρνει τις πληροφορίες που είναι κωδικοποιημένες στα γονίδια. Το RNA λαμβάνει αυτές τις πληροφορίες ενόσω βρίσκεται στην ενζυμική μηχανή, στη συνέχεια βγαίνει από τον πυρήνα και κατευθύνεται σε ένα από τα ριβοσώματα, όπου οι πληροφορίες θα χρησιμοποιηθούν για τη σύνθεση μιας πρωτεΐνης».

Καθώς παρακολουθείτε την παρουσίαση αυτή, νιώθετε απέραντο θαυμασμό. Έχετε μείνει άναυδοι από το μουσείο και την ευφυΐα όσων σχεδίασαν και κατασκεύασαν τις μηχανές του. Φαντάζεστε, όμως, να μπορούσε να τεθεί σε κίνηση ολόκληρος αυτός ο χώρος μαζί με όλα τα εκθέματά του για να σας παρουσιάσει τις χιλιάδες εργασίες που γίνονται στο ανθρώπινο κύτταρο ταυτόχρονα; Τι φοβερό θέαμα θα ήταν αυτό!

Όπως αντιλαμβάνεστε, όλες αυτές οι διαδικασίες, οι οποίες πραγματοποιούνται από μικροσκοπικές, πολύπλοκες μηχανές, βρίσκονται σε εξέλιξη αυτήν ακριβώς τη στιγμή στα 100 τρισεκατομμύρια κύτταρά σας! Το DNA σας διαβάζεται, δίνοντας οδηγίες για τη σύνθεση των εκατοντάδων χιλιάδων διαφορετικών πρωτεϊνών που απαρτίζουν το σώμα σας​—τα ένζυμα, τους ιστούς, τα όργανά του και ούτω καθεξής. Αυτήν ακριβώς τη στιγμή το DNA σας αντιγράφεται και ελέγχεται για τυχόν λάθη ώστε να υπάρχει σε κάθε νέο κύτταρο ένα καινούριο σετ οδηγιών.