BUDOWA FASCYNUJĄCEJ CZĄSTECZKI

Oglądana przez ciebie lina ma jakieś 2,5 centymetra grubości. Jest ciasno owinięta wokół dysków (4), dzięki którym może tworzyć spiralne zwoje, a z nich większe pętle. Pętle te są przymocowane do rusztowania, które podtrzymuje całą konstrukcję. Obok modelu chromosomu zauważasz planszę z informacją, jak niesamowicie zwinięta jest ta lina. Otóż gdyby rozciągnąć liny ze wszystkich chromosomów w tym muzeum, miałyby długość aż połowy obwodu Ziemi!a

W pewnej publikacji naukowej ten niezwykle efektywny sposób upakowania nazwano „arcydziełem inżynierii”¹⁸. Czy sugestia, że do powstania takiego arcydzieła nie był potrzebny żaden inżynier, brzmi rozsądnie? Wyobraź sobie, że nasze muzeum to gigantyczny sklep z milionami towarów, które są tak starannie poukładane, by każdy z nich można było bez trudu znaleźć. Czy przyszłoby ci do głowy, że wszystko to poukładało się samo? Na pewno nie! A przecież porządek w takim sklepie to drobnostka w porównaniu z tym, co widać w jądrze komórki.

Kolejny napis w muzeum zachęca, byś wziął ową linę do ręki i dokładnie się jej przyjrzał (5). Gdy przesuwasz ją w palcach, przekonujesz się, że nie jest to zwykła lina. Składa się z dwóch oplecionych wokół siebie sznurów, które połączone są równo rozmieszczonymi szczebelkami. Przypomina więc skręconą sznurową drabinę albo kręcone schody (6). Czy wiesz, co trzymasz w ręku? Tak, to model cząsteczki DNA — wielkiej tajemnicy życia.

I właśnie taka jedna cząsteczka DNA — ciasno opleciona wokół dysków zwanych rdzeniami histonowymi i podtrzymywana przez białkowe rusztowanie — tworzy cały chromosom. A wspomniane wcześniej szczeble to pary zasad azotowych (7). Jaka jest ich rola? Do czego to wszystko służy? W naszym muzeum znajdziemy uproszczone wyjaśnienia.

NADZWYCZAJNY SYSTEM PRZECHOWYWANIA INFORMACJI

Okazuje się, że szczeble drabiny DNA odgrywają niezwykle ważną rolę. Wyobraź sobie, że jej sznury oddzielają się od siebie. Z każdego wystają teraz fragmenty szczebli, czyli pojedyncze zasady. W DNA występują tylko cztery rodzaje zasad, które oznaczane są literami A, T, G i C. Uczeni ze zdumieniem odkryli, że za pomocą tych liter zostały zakodowane informacje.

Jak zapewne wiesz, w XIX wieku Samuel Morse stworzył alfabet, dzięki któremu ludzie mogli się porozumiewać za pośrednictwem telegrafu. Chociaż ten alfabet ma tylko dwie „litery” — kropkę i kreskę — to można nimi wyrazić każde słowo i zdanie. DNA wykorzystuje kod czteroliterowy. Kombinacje liter A, T, G i C tworzą „słowa” zwane kodonami. Te z kolei układają się w „opowiadania”, czyli geny. Taki gen składa się przeciętnie z 27 000 liter. Geny i długie odcinki DNA znajdujące się pomiędzy nimi tworzą „rozdziały”, to znaczy poszczególne chromosomy. A 23 chromosomy to cała „książka”, czyli genom — kompletna informacja genetyczna danego człowiekab.

Genom to ogromna księga. Jak dużo informacji zawiera? Ludzki genom składa się z około trzech miliardów par zasad¹⁹. Pomyśl o encyklopedii, której każdy tom ma ponad tysiąc stron. Informacje zapisane w jednym genomie zapełniłyby 428 takich tomów. A ponieważ w komórce znajdują się dwa genomy, więc w sumie powstałoby 856 tomów. Gdybyś te informacje zapisywał sam, musiałbyś pracować na cały etat, i to bez żadnego urlopu, przez jakieś 80 lat!

Rzecz jasna cała ta praca nie miałaby żadnej wartości dla twojego organizmu. No bo w jaki sposób wcisnąłbyś setki opasłych tomów do każdej ze 100 bilionów mikroskopijnych komórek w twoim ciele? Taka kompresja danych przekracza ludzkie możliwości.

Profesor biologii molekularnej i informatyki zauważył: „Gram DNA, który w suchej postaci zajmuje około 1 cm³, może przechować tyle informacji, ile daje się zapisać na bilionie CD-ROM-ów”²⁰. Co to znaczy? Jak już wiemy, w każdej komórce w DNA znajduje się pełny zestaw instrukcji potrzebnych do budowy danego organizmu, czyli jego genom. W DNA jest upakowana tak ogromna ilość informacji, że na łyżeczce od herbaty zmieściłyby się genomy 350 razy większej liczby ludzi, niż obecnie wynosi liczba mieszkańców naszej planety. Genomy siedmiu miliardów żyjących dziś ludzi utworzyłyby na łyżeczce zaledwie cienką warstewkę²¹.

MASZYNY W RUCHU

Zwiedzając dalej muzeum, być może zastanawiasz się, czy w jądrze komórki panuje podobny spokój. Dostrzegasz wtedy szklaną gablotę prezentującą model odcinka DNA. Napis zachęca do naciśnięcia przycisku. Gdy to robisz, rozlega się głos narratora: „DNA spełnia co najmniej dwa niezmiernie ważne zadania. Pierwsze nazywa się replikacją. DNA musi zostać skopiowane, tak aby w każdej nowej komórce znalazła się taka sama informacja genetyczna. Zapraszamy do obejrzenia symulacji”.

W gablocie pojawia się skomplikowany aparat zbudowany z kilku połączonych ze sobą maszyn. Przyczepia się do modelu DNA i zaczyna się wzdłuż niego przesuwać niczym pociąg po szynach. Porusza się zbyt szybko, żebyś mógł dokładnie zobaczyć, co robi, ale wyraźnie widzisz efekty jego pracy. Zamiast jednego łańcucha DNA są teraz dwa.

Narrator udziela dalszych wyjaśnień: „Symulacja ta pokazała proces replikacji DNA w sposób bardzo uproszczony. Zestaw molekularnych maszyn zwanych enzymami przesuwa się wzdłuż DNA — najpierw rozplata łańcuch na dwie nici, a następnie do każdej z nich dobudowuje brakującą nić. W symulacji nie uwzględniono wszystkich enzymów biorących udział w tym procesie. Pominięto na przykład niewielką maszynę, która porusza się przed aparatem replikacyjnym i rozcina jedną z nici DNA, tak by mogła ona obrócić się wokół drugiej. Zapobiega to skręcaniu się DNA w coraz ciaśniejsze zwoje. Nie pokazano też, w jaki sposób wielokrotnie sprawdzana jest poprawność replikacji i usuwane są błędy, dzięki czemu kopiowanie informacji genetycznej odbywa się z zadziwiającą dokładnością”. (Zobacz ilustrację na stronach 16 i 17).

„Symulacja daje jednak wyobrażenie o prędkości, z jaką przebiega cały proces” — kontynuuje narrator. „Można było zaobserwować, że aparat replikacyjny poruszał się bardzo szybko. Rzeczywisty kompleks enzymów przesuwa się wzdłuż łańcucha DNA z prędkością około 100 ‚szczebli’, czyli 100 par zasad na sekundę²³. Gdyby łańcuch DNA miał szerokość torów kolejowych, to aparat przemieszczałby się z prędkością 80 kilometrów na godzinę. W komórkach bakterii maleńkie aparaty replikacyjne mogą pędzić nawet dziesięć razy szybciej! W ludzkiej komórce na różnych odcinkach DNA pracują setki takich aparatów. Cały genom kopiują zaledwie w osiem godzin”²⁴. (Zobacz ramkę „W czym tkwi sekret kopiowania DNA”, strona 20).

PRZEPISYWANIE DNA

Aparat replikacyjny znika, a na jego miejscu pojawia się inny. On także porusza się wzdłuż łańcucha DNA, lecz znacznie wolniej. Obserwujesz, jak kolejne fragmenty DNA trafiają do wnętrza aparatu i wyłaniają się z drugiej strony w niezmienionej postaci. Ale z oddzielnego otworu wyrasta jakaś nowa pojedyncza nić. Co to takiego?

Narrator wyjaśnia: „Drugie istotne zadanie DNA to tak zwana transkrypcja. Cząsteczki DNA nigdy nie opuszczają bezpiecznego schronienia w jądrze komórki. Jak więc zawarte w genach instrukcje dotyczące budowy wszystkich białek w naszym organizmie mogą zostać odczytane i wykorzystane? Najpierw spoza jądra dociera do DNA sygnał chemiczny, który aktywuje gen. Gdy to nastąpi, do specjalnego miejsca na DNA przyłącza się enzymatyczny aparat transkrypcyjny. Buduje on cząsteczkę kwasu rybonukleinowego (RNA), która wyglądem przypomina pojedynczą nić DNA. Aparat przepisuje na nią informacje zawarte w genie. Kiedy ich kopiowanie zostaje zakończone, cząsteczka RNA opuszcza jądro komórkowe i łączy się z rybosomem, który na podstawie tych informacji buduje białko”.

Z pewnością podczas oglądania tych symulacji nieraz ogarniało cię zdumienie. Niewątpliwie jesteś pod wrażeniem całego muzeum oraz niezwykłej inwencji tych, którzy zaprojektowali i zbudowali prezentowane w nim maszyny. Pomyśl teraz, co by się działo, gdyby wszystkie te eksponaty udało się wprawić w ruch i pokazać, jak komórka wykonuje jednocześnie tysiące rozmaitych zadań. Cóż to byłby za spektakl!

A przecież taki spektakl cały czas odbywa się w każdej ze 100 bilionów komórek twojego ciała! Przy udziale maleńkich, skomplikowanych maszyn informacje zawarte w DNA są przepisywane i wykorzystywane do budowy setek tysięcy enzymów i innych rodzajów białek wchodzących w skład wszystkich twoich tkanek i organów. Twoje DNA jest także kopiowane, na kopii poprawiane są błędy i dzięki temu każda nowa komórka otrzymuje pełny zestaw potrzebnych instrukcji.