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LA DOPPIA ELICA
James D. Watson
Pag. 209-215.
AARON KLUG
Rosalind Franklin e la scoperta della struttura del DNA (1968).*
Rosalind Franklin ha dato alcuni contributi fondamentali
alla soluzione della struttura del DNA. Ha scoperto la forma
"B", ha riconosciuto il fatto che esistono due stati diversi
della molecola del DNA, ha definito le condizioni per la transizione
tra le due forme. Sin dall'inizio, si è resa conto che il modello
corretto doveva avere i gruppi fosfatici all'esterno della molecola.
Ha posto le basi per una analisi quantitativa delle figure di
diffrazione e, dopo la formulazione del modello di Watson e Crick,
ha dimostrato che una doppia elica era consistente con le
figure di diffrazione a raggi X sia per la forma "A" che per quella "B".
Il resoconto che Watson fa ne La doppi elica non pretende di
essere più che un aspetto della storia, mentre l'articolo di L.D. Hamilton
(DNA: Modelli e realtà, "Nature", 18 maggio 1968) non rende
giustizia al lavoro della Franklin.
L'importanza del lavoro della Franklin è stata sottovalutata, almeno
in parte, a causa della morte prematura. Dato che io, in quanto suo
ultimo e forse più vicino collega scientifico, sono in condizione di riempire
questo vuoto, ho cercato qui di raccontare ciò che la Franklin stava
facendo nel periodo precedente la scoperta del modello di Watson e Crick,
per porre così la questione della struttura elicoidale nel suo vero
contesto e per sintetizzare i contributi da lei dati alla dimostrazione
di quella struttura. Non ho trattato i contributi ben noti dati dagli altri
protagonisti della storia, tranne che quando avevano direttamente a
che fare con il suo lavoro.
La questione dell'elica
Watson e Hamilton hanno sottolineato entrambi la posizione "anti-elicoidale"
della Franklin, senza spiegarne il contesto. La Franklin aveva deciso che
c'erano abbastanza piani di riflessione discreti nella figura di diffrazione
della forma "A" per poter dirimere la questione dell'esistenza di eliche
(in questa forma del DNA) con un'analisi cristallografica oggettiva, senza
dover fare alcuna ipotesi. In realtà, se c'è una fase del lavoro della Franklin
che può essere chiamata "anti-elicoidale", ce n'è anche una precedente
"pro-elicoidale". La si può rintracciare sia nel rapporto ufficiale del suo primo
anno di lavoro, rapporto presentato nel febbraio 1952 per ottenere la borsa
di studio Turner-Newall, sia nei suoi appunti per un seminario al King's
College nel novembre 1951 - il seminario cui prese parte Watson e di cui
egli parla nel suo libro. Nel rapporto ella afferma che le caratteristiche generali
della figura di diffrazione della forma cristallina ("A") - e anche quelle della
forma idrata (più tardi conosciuta come "B") - suggeriscono una struttura
elicoidale e che la separazione tra gli strati della struttura "A" (27 A)
probabilmente corrisponde al passo dell'elica. Inoltre, fa notare che la cella
unitaria della struttura "A" ha una proiezione quasi esagonale; ciò suggerisce
che la struttura sia costruita a partire da unità quasi cilindriche, e cioè da
molecole del tipo di quelle che sarebbero prodotte dall'agglomerazione di un
certo numero di catene coassiali. Il rapporto conclude come segue:"I
risultati suggeriscono una struttura elicoidale ( che deve essere strettamente
connessa) costituita probabilmente da 2, 3 o 4 catene coassiali di acido
nucleico per unità elicoidale e con i gruppi fosfatici verso l'esterno".
Bisogna tuttavia ricordare che le figure di diffrazione che la Franklin studiava,
erano fotografie di filamenti o di rotazione, nelle quali i dati intrinsecamente
tridimensionali erano ridotti a due sole dimensioni, il che implica certe possibili
ambiguità nella caratterizzazione delle figure stesse. Andando avanti con la
raccolta di dati quantitativi, la Franklin notò, nel 1952, che avrebbe potuto
esserci una asimmetria molto definita nel fattore di forma delle molecole
cristalline e quindi nella stessa struttura. Se questo fosse risultato vero, la
struttura non avrebbe potuto essere elicoidale, a meno che le eliche non
risultassero considerevolmente distorte. Sembra anche che la Franklin sia stata
molto influenzata - nel cambiamento di opinione circa la struttura elicoidale -
dalla scoperta di una doppia orientazione dei cristalliti in filamento nella forma
"A". Le sembrava improbabile che potesse verificarsi questo fenomeno, se le
singole molecole avessero avuto un alto grado di simmetria rispetto all'asse del
filamento. Inoltre, aveva osservato precedentemente che, durante il cambiamento
"da cristallino a idrato" (cioè, da "A" a "B" nella terminologia usata più tardi),
aveva luogo un considerevole aumento nella lunghezza dei filamenti; nel
rapporto annuale che stiamo qui considerando, affermò prudentemente:
"L'elica nello stato idrato è quindi presumibilmente non identica
a quella dello stato cristallino".
Con questa premessa, era del tutto naturale - nel
contesto delle nuove osservazioni sperimentali - pensare che la struttura "A"
avrebbe potuto essere non elicoidale, ed esaminare quindi strutture non
elicoidali. Le ipotesi di partenza della Franklin possono essere sintetizzate
come segue: per quanto vi fossero chiaramente strutture elicoidali nella struttura
"B", esse avrebbero potuto essere così distorte - o anche distrutte - dai legami
intermolecolari nella struttura cristallina "A" che era necessario considerare
strutture non-elicoidali. Ma una struttura "A" plausibile avrebbe dovuto soddisfare
certi criteri, definiti in base alle sue stesse osservazioni sulla transizione da "A"
a "B": e cioè che, indipendentemente da quanto può accadere alle catene, la
trasformazione doveva essere reversibile; inoltre i fosfati dovevano in ogni caso
restare all'esterno della struttura, e cioè verso l'acqua.
Le sue note di laboratorio dell'inverno 1952-53, la mostrano intenta a considerare
vari tipi di strutture, tra cui lamine e aste, fatte di due catene che si sviluppano
in direzioni opposte con basi interconnesse e anche una struttura pseudo-elicoidale
con gruppi fosfatici non equivalenti, che rassomigliava in proiezione a un otto.
Nel gennaio 1953 la Franklin cominciò a costruire modelli, per limitare le strutture
a quelle possibili dal punto di vista stereochimico, cercando di accordarle alla
funzione tridimensionale di Patterson per la forma "A", che era stata calcolata
nel 1952. Da questa funzione aveva imparato che c'erano gruppi fosfatici
disposti in certe direzioni a distanza di 5,7 A l'uno dall'altro. Ciò che la funzione
di Patterson - per la sua stessa natura - non poteva chiarirle era se queste
direzioni si riferissero a fosfati di una stessa catena o di catene differenti.
Nessuna delle strutture prescelte, tuttavia, si accordava con la funzione di
Patterson, e non a caso. Inoltre, alcune potevano essere escluse per quel che
riguardava la forma "B", anch'essa costantemente tenuta d'occhio.
Nelle sue note, la vediamo passare continuamente dai dati di una delle forme
a quelli dell'altra, applicando la teoria della diffrazione elicoidale alla forma "B"
e cercando di adattare la funzione di Patterson alla forma "A". La vediamo
anche cercare di adattare le basi al modello, usando i dati analitici di Chargaff,
e ritornare continuamente alla densità e al contenuto di acqua delle due forme,
informazione questa mediante la quale tentava di verificare il numero delle
catene. Allo stesso tempo, cercava di risovere la funzione di Patterson
direttamente col metodo di sovrapposizione.
A febbraio, la Franklin sapeva già che c'erano due catene per cella unitaria
nella struttura "A" e stava considerando la possibilità di una struttura con
undici nucleotidi per catena. Tuttavia, per quanto sapesse che c'erano dieci
nucleotidi per catena elicoidale nella struttura "B", e che molto probabilmente
c'erano due catene di questo tipo nell'elica "B", non vide la relazione tra
queste due strutture, forse perché non riusciva a liberarsi dal suo
profondo impegno a risolvere la funzione di Patterson direttamente, senza
ipotesi a priori, scelta che richiedeva la considerazione di strutture
non elicoidali. La risposta - alla quale non arrivò prima che il modello di
Watson e Crick venisse proposto - è naturalmente sorprendentemente
semplice. Ambedue le strutture sono elicoidali e sono collegate in un modo
semplice, come ho dimostrato.
Naturalmente, non è possibile dire che cosa sarebbe accaduto se non
fosse intervenuta
la struttura proposta da Watson e Crick; penso che alla fine si
sarebbe resa conto - e forse non molto tempo dopo - della relazione tra
le forme "A" e "B". Indipendentemente da quanto avrebbe potuto accadere,
è chiaro che il punto di vista "anti-elicoidale" non era un semplice capriccio o
"pura perversità". Il punto cui la Franklin era arrivata a quel tempo è uno stadio
che molti ricercatori scientifici riconosceranno, uno stadio in cui coesistono
osservazioni apparentemente contraddittorie o discordanti, ognuna delle quali
può essere considerata significativa; e non si sa quali indizi scegliere per risolvere
il rompicapo. Il libro di Watson ha chiarito il fatto che - in nessuno dei protagonisti -
esisteva una logica ferrea che potesse portare direttamente alla soluzione.
Per esempio, una domanda che avrebbe potuto essere posta a quel tempo
era quale delle due forme del DNA, la "A" o la "B", fosse più strettamente vicina
al DNA nel suo stato naturale. Deve esserci una certa ristrutturazione
intermolecolare nella transizione da "A" a "B". Una delle due strutture era più
fondamentale dell'altra? Con il senno di poi, la risposta è ovvia, e cioè quella
che è più vicina al DNA in soluzione, quindi la forma idrata o forma "B", che
non mostra ulteriori cambiamenti di struttura quando l'idratazione cresce fino
al punto in cui il DNA passa in soluzione.
Bisogna aggiungere che, verso la fine del 1952, Wilkins e Randall resero nota
una somiglianza tra le fotografie di diffrazione a raggi X di spermatozoi e i filamenti
di DNA puro; le periodicità tuttavia non erano chiaramente definite e la struttura
non veniva attribuita a nessuna delle due forme - allora già note ma non
ancora pubblicate. Le figure di diffrazione di spermatozoi furono classificate
come forma "B" solo più tardi. Sembra corretto concludere che non c'era una
evidenza sperimentale tanto determinante, dal punto di vista biologico, da
convincere la Franklin a spostare il suo interesse analitico principale dalla
forma "A" alla forma "B". Anche se la Franklin per un po' si mosse nella direzione
sbagliata per quanto riguardava uno degli aspetti del problema, ci sono
tuttavia sufficienti indicazioni che dimostrano che era nel giusto per quanto
riguarda altri aspetti. Nel suo primo lavoro, la Franklin analizzò anche il problema
dell'impacchettamento delle basi. Discusse l'esistenza di piccoli aggregati
stabili di molecole, connesse da legami a idrogeno tra i loro gruppi basici e
con i gruppi fosfatici esposti al mezzo acquoso. Trattò anche l'ovvia difficoltà
di impacchettare una sequenza di basi che non seguono un ordine
cristallografico particolare. Il punto raggiunto dalla sua riflessione può essere
giudicato dal seguente estratto del suo lavoro del marzo 1953:
D'altra parte, sembra anche improbabile che i gruppi purinici e
pirimidinici, considerevolmente differenti l'uno dall'altro sia in forma sia
in grandezza, possano essere intercambiabili in una struttura così ordinata
come quella della situazione "A". Una possibile soluzione, quindi, è che nella
struttura "A" la citosina e la timina siano intercambiabili, mentre la purina e
la pirimidina non lo siano. Questo è suggerito dalle strutture cristalline -
notevolmente simili - trovate da Broomhead (1951) per gli idrocloruri di
adenina e di guanina. In questo modo potrebbe essere possibile una varietà
infinita di sequenze nucleotidiche in grado di spiegare la specificità biologica
del DNA.
La intercambiabilità delle basi è, naturalmente, ancora molto lontana dalla
verità finale - l'accoppiamento delle basi - ma nel contesto dell'analisi
cristallografica nella quale la Franklin era impegnata (una analisi che poteva
portare a una soluzione per la parte della struttura che si ripeteva regolarmente)
questa idea sarebbe stata essenziale per riuscire ad adattare al modello anche
le parti variabili. Nel suo libro, Watson ha scritto che la "immediata accettazione"
da parte della Franklin del modello di Watson e Crick all'inizio lo meravigliò; ma
continua dicendo che, dopo averci riflettuto, questo fatto non lo sorprendeva
più. E' un fatto che non può più sorprendere, dopo aver studiato i lavori della
Franklin e i suoi appunti di laboratorio, e dopo aver capito quanto, nello
sviluppo del suo lavoro - per quanto in modo sconnesso e in tempi diversi -
fosse giunta vicina alle varie caratteristiche della struttura contenute nella
soluzione corretta.
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* Da "Nature", 24 agosto 1968, pag. 808-810. Aaron Klug (nato nel 1926) è membro del Laboratorio di biologia molecolare del Medical Research Council a Cambridge. Le sue ricerche vertono sull'analisi cristallografica delle strutture biologiche. Nel 1982 ha ricevuto il premio Nobel per la chimica.
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Lavori di R.E. Franklin e R.G. Gosling.
1) The structure of sodium thymonucleate fibres. I. The influence of water content,
"Acta Cryst", 6; 673 (1953).
2) The structure of sodium thymonucleate fibres. II. The cylindrically symmetrical
Patterson function, "Acta Cryst", 6; 678 (1953).
3) Molecular configuration in sodium thymonucleate, "Nature", 171; 742 (1953).
4) Evidence for 2-chain helix in crystalline structure of sodium desoxyribonucleate,
"Nature", 172; 156 (1953).
5) The structure of sodium thymonucleate fibres. III. The three-dimensional
Patterson function, "Acta Cryst", 8; 151 (1955).
Altri riferimenti bibliografici.
6) R.G. Gosling, Tesi, Università di Londra (1954).
7) M.H.F. Wilkins, A.R. Stokes e H.R. Wilson, "Nature", 171; 739 (1953).
8) J.D. Watson e F.H.C. Crick, "Nature", 171; 737 (1953).
9) G.B.B.M. Sutherland e M. Tsuboi, "Proc. Roy. Soc.", A, 223; 80 (1954).
11) M.H.F. Wilkins, W.E. Seeds, A.R. Stokes e H.R. Wilson, "Nature", 172; 759 (1953).
12) M.H.F. Wilkins e J.T. Randall, "Biochim. Biphys. Acta", 10; 192 (1953).
Edited by silverback - 24/2/2009, 23:56
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