Den deoxyribonukleinsyre , eller DNA , er en makromolekyle stede biologisk i næsten alle celler og i mange vira . DNA indeholder al den genetiske information, kaldet genom , der tillader udvikling, funktion og reproduktion af levende væsener . Det er en nukleinsyre , som ribonukleinsyre (RNA). Nukleinsyrer er sammen med peptider og kulhydrater en af de tre største familier af biopolymerer, der er essentielle for alle kendte livsformer.
DNA-molekyler i levende celler består af to antiparallelle tråde viklet rundt om hinanden for at danne en dobbelt helix . DNA siges at være dobbeltstrenget eller dobbeltstrenget. Hver af disse tråde er en polymer kaldet et polynukleotid . Hver monomer, der udgør den, er et nukleotid , der er dannet af en nukleinbase eller en nitrogenholdig base - adenin (A), cytosin (C), guanin (G) eller thymin (T) - bundet til en ose - her er deoxyribosen - selv bundet til en phosphat -gruppe . Polymeriserede nukleotider forenes til hinanden ved kovalente bindinger mellem deoxyribosen af et nukleotid og phosphatgruppen i det næste nukleotid og danner således en kæde, hvor oser og fosfater skifter, med nukleinbaser, der hver er bundet til en ose. Den rækkefølge, i hvilken nukleotiderne efterfølger hinanden langs en DNA-streng, udgør sekvensen af denne streng. Det er denne sekvens, der bærer genetisk information. Dette er struktureret i gener , som udtrykkes gennem transkription i RNA . Disse RNA'er kan være ikke-kodende - især overføre RNA og ribosomalt RNA - ellers kodende: i dette tilfælde er de messenger-RNA'er , der oversættes til proteiner af ribosomer . Nukleins baseres rækkefølge på DNA bestemmer rækkefølgen af aminosyrer, der udgør proteinerne, der er resultatet af disse gener. Korrespondensen mellem nukleinsbaser og aminosyrer er den genetiske kode . Alle gener i en organisme udgør dens genom .
Nukleinsyrebaserne i en DNA-streng kan interagere med nukleinbaserne i en anden DNA-streng gennem hydrogenbindinger , som bestemmer reglerne for parring mellem basepar : adenin og thyminpar ved hjælp af to hydrogenbindinger, mens guanin og cytosinpar ved hjælp af tre hydrogenbindinger. Normalt parrer adenin og cytosin sig ikke, ligesom guanin og thymin. Når sekvenserne af de to tråde er komplementære, kan disse tråde parres sammen og danne en karakteristisk dobbeltstrenget spiralformet struktur kaldet en DNA dobbelt helix. Denne dobbelte helix er velegnet til opbevaring af genetisk information: ose-phosphatkæden er resistent over for spaltningsreaktioner ; desuden duplikeres informationen på de to tråde i den dobbelte helix, hvilket gør det muligt at reparere en beskadiget streng fra den anden streng, der har været intakt; endelig kan denne information kopieres gennem en mekanisme kaldet DNA-replikation , hvor en DNA-dobbelthelix trofast kopieres til en anden dobbelthelix, der bærer den samme information. Dette er især hvad der sker under celledeling : hvert DNA-molekyle i modercellen replikeres i to DNA-molekyler, hver af de to datterceller modtager således et komplet sæt DNA-molekyler. Hvert spil er identisk med det andet.
I celler er DNA organiseret i strukturer kaldet kromosomer . Disse kromosomer arbejder på at gøre DNA mere kompakt ved hjælp af proteiner , især histoner , der sammen med nukleinsyrer danner et stof kaldet kromatin . Kromosomer deltager også i reguleringen af genekspression ved at bestemme, hvilke dele af DNA der skal transkriberes til RNA . I eukaryoter ( dyr , planter , svampe og protister ) er DNA i det væsentlige indeholdt i cellernes kerne , med en fraktion af DNA også til stede i mitokondrier såvel som i planter i kloroplaster . I prokaryoter ( bakterier og arkæer ) er DNA indeholdt i cytoplasmaet . I vira, der indeholder DNA, opbevares det i kapsiden . Uanset hvilken organisme der overvejes, transmitteres DNA under reproduktion : det spiller rollen som støtte til arvelighed . Modifikationen af basesekvensen for et gen kan føre til en genetisk mutation , som afhængigt af tilfældet kan være gavnlig uden konsekvens eller skadelig for organismen eller endda uforenelig med dens overlevelse. For eksempel er modifikationen af en enkelt base af et enkelt gen - den af β-globin , en proteinunderenhed af hæmoglobin A - af den humane genotype ansvarlig for seglcelleanæmi , en genetisk sygdom blandt de mest udbredte i verden.
DNA er en lang polymer dannet ved gentagelse af monomerer kaldet nukleotider . Det første DNA blev identificeret og isoleret i 1869 fra kernen af hvide blodlegemer af den schweiziske Friedrich Miescher . Dens dobbelte helixstruktur blev demonstreret i 1953 af den britiske Francis Crick og amerikaneren James Watson fra eksperimentelle data opnået af den britiske Rosalind Franklin og Maurice Wilkins . Denne struktur, der er fælles for alle arter , består af to spiralformede polynukleotidkæder , der er viklet omkring hinanden omkring en fælles akse, med en stigning på ca. 3,4 nm for en diameter på ca. 2, 0 nm . En anden undersøgelse, der måler de geometriske parametre for DNA i opløsning, giver en diameter på 2,2 til 2,6 nm med en længde pr. Nukleotid på 0,33 nm . Selvom hvert nukleotid er meget lille, kan DNA-molekyler indeholde millioner af dem og vokse til betydelige størrelser. For eksempel indeholder humant kromosom 1 , som er det største af humane kromosomer , cirka 220 millioner basepar med en lineær længde på over 7 cm .
I levende celler eksisterer DNA generelt ikke i enkeltstrenget ( enkeltstrenget ) form, men snarere i dobbeltstrenget (dobbeltstrenget) form med en dobbelt helix-konfiguration. De monomerer , der udgør hver DNA-streng omfatter et segment af deoxyribose - phosphat kæde og en nucleinbase bundet til deoxyribose. Den molekyle resulterende fra binding af en nucleinbase til en ose kaldes en nucleosid ; tilsætning af en til tre phosphatgrupper grupper til den dosis af et nukleosid danner en nucleotid . En polymer, der er resultatet af polymerisationen af nukleotider, kaldes et polynukleotid . DNA og RNA er polynukleotider.
Den ose udgør rygraden af molekylet er 2'-deoxyribose , et derivat af ribose . This pentose skiftevis med phosphatgrupper til dannelse phosphodiesterbindinger mellem atomer n o 3 'og n o 5' rester tilstødende deoxyribose. På grund af denne asymmetriske binding giver DNA-tråde mening. I en dobbelt helix er de to DNA-tråde i modsat retning: de siges at være antiparallel . Den 5 'til 3' retningen af en DNA-streng konventionelt betegner den for enden bærer en phosphat- gruppe -PO 3 2-mod slutningen med en hydroxylgruppe –OH; det er i denne forstand, at DNA syntetiseres af DNA-polymeraser . En af de største forskelle mellem DNA og RNA er det faktum, at vovet af molekylets skelet er ribose i tilfælde af RNA i stedet for DNA-deoxyribose, som spiller på stabiliteten og geometrien i dette makromolekyle .
Den dobbelte DNA-helix stabiliseres i det væsentlige af to kræfter: på den ene side hydrogenbindingerne mellem nukleotiderne og på den anden side de stabile interaktioner mellem de aromatiske ringe i nukleinsukkerne . I det vandige miljø i cellen justeres de konjugerede π-bindinger af disse baser vinkelret på DNA-molekylets akse for at minimere deres interaktioner med opløsningslaget og derfor deres frie entalpi . De fire sammensatte nukleotider af DNA er adenin (A), cytosin (C), guanin (G) og thymin (T) og danner henholdsvis de følgende fire nukleotider , der danner DNA:
De fire nukleiske baser af DNA er af to typer: på den ene side purinerne - adenin og guanin - som er bicykliske forbindelser, der omfatter to heterocykler med henholdsvis fem og seks atomer, på den anden side pyrimidinerne - cytosin og thymin - som er monocykliske forbindelser omfattende en heterocyklus med seks atomer. De basepar af DNA dobbelt helix består af en purin interagere med en pyrimidin gennem to eller tre hydrogenbindinger :
På grund af denne komplementaritet bæres al den genetiske information, der bæres af en af strengene i DNA-dobbelthelixen, også identisk på den anden streng. Det er på dette princip, at mekanismen til DNA-replikering er baseret , og det er på denne komplementaritet mellem nukleinsbaser, at alle de biologiske funktioner af DNA i levende celler er baseret.
DNA fra nogle vira , såsom bakteriofagerne PBS1 og PBS2 af Bacillus subtilis , bakteriofagen φR1-37 af Yersinia og fagen S6 af Staphylococcus , kan erstatte thymin med uracil , en pyrimidin, der normalt er karakteristisk for RNA, men normalt fraværende i DNA, hvor det findes kun som et nedbrydningsprodukt af cytosin.
De nukleobaser mate oftere ved at danne basepar kaldet "Watson-Crick" svarende til to eller tre hydrogenbindinger etableret mellem to baser orienteret anti i forhold til resten af deoxyribose . Imidlertid kan hydrogenbindinger også etableres mellem en syn-orienteret purin og en anti-orienteret pyrimidin : i dette tilfælde er dette en Hoogsteen-parring . Et Watson-Crick basepar er også i stand til at etablere højsteen-type hydrogenbindinger med en tredje base, som muliggør dannelse af tre- strengede DNA-strukturer.
Kun en af strengene i et DNA-segment, der udgør et gen , transskriberes til funktionelt RNA , således at de to strenge af et gen ikke er ækvivalente: den, der transskriberes til funktionelt RNA siges at have negativ polaritet og bærer en antisense- sekvens , mens den komplementære streng - som også kan transskriberes til RNA, men ikke funktionel - siges at have positiv polaritet og bærer en sense-DNA-sekvens. Strengen, der transskriberes til funktionelt RNA, kaldes undertiden den kodende streng, men denne betegnelse er kun gyldig inden for et givet gen, fordi de to strenge af den samme DNA- dobbelthelix kan kode forskellige proteiner; vi taler derefter om ambisense-tråde. RNA'er transskriberes også fra sense-DNA-sekvenser - dermed antisense-RNA-sekvenser - i både prokaryoter og eukaryoter , men deres biologiske rolle er ikke fuldstændigt belyst; en af hypoteserne er, at disse antisense-RNA'er kan gribe ind i reguleringen af genekspression gennem parringen mellem sense- og antisense-RNA-sekvenser, som pr. definition er komplementære.
Sondringen mellem sense- og antisense-DNA-strenge er sløret i visse typer overlappende gener , ret sjældne i prokaryoter og eukaryoter, men mere almindelige på plasmider og vira , hvor begge tråde af det samme DNA-segment koder for hver deres forskellige funktionelle RNA. I bakterier kan denne overlapning spille en rolle i reguleringen af gentranskription, mens overlappende gener i vira øger mængden af genetisk information, der kan kodes i den lille størrelse af virusgenomet.
Det frigivne DNA kan være lineært, som det typisk er tilfældet i eukaryoter eller cirkulært, som i prokaryoter . Det kan dog vrides på en til tider kompleks måde under virkningen af introduktionen af yderligere propeldrejninger eller fjernelse af drejninger i den dobbelte spiral . Den dobbelte DNA-helix, der således er supercoiled under virkningen af positive eller negative superturns, har en hældning henholdsvis forkortet eller forlænget med hensyn til dens afslappede tilstand: i det første tilfælde er nucleinsbaserne arrangeret på en mere kompakt måde; i det andet tilfælde interagerer de tværtimod mindre tæt. In vivo udviser DNA typisk let negativ supercoiling under virkningen af enzymer kaldet DNA-topoisomeraser , som også er essentielle for at løsne de belastninger, der er indført i DNA under processer, der involverer afvikling af dobbelthelixen for at adskille sig fra den. De to tråde , som det især er tilfælde under DNA-replikation og under dets transkription til RNA .
Da hydrogenbindinger ikke er kovalente bindinger , kan de let brydes. Det er således muligt at adskille de to tråde i DNA-dobbelthelixen som en lynlås både mekanisk og under påvirkning af høj temperatur såvel som ved lav saltholdighed , ved høj pH - basisk opløsning - og ved lav pH - sur opløsning , som ændrer dog DNA'et især ved depurinering. Denne adskillelse af tråde af dobbeltstrenget DNA til dannelse af to enkeltstrengede DNA-molekyler kaldes DNA- fusion eller denaturering . Den temperatur, ved hvilken 50% af den dobbeltstrengede DNA dissocieres i to enkeltstrengede DNA-molekyler kaldes smeltetemperaturen eller semi-denatureringstemperatur af DNA'et, betegnet T m . Det kan måles ved at følge den optiske absorption ved 260 nm af opløsningen indeholdende DNA: denne absorption øges under mismatch, som kaldes hyperchromicitet . De frigjorte enkeltstrengede DNA-molekyler har ikke en særlig konfiguration, men nogle tredimensionelle strukturer er mere stabile end andre.
Stabiliteten af en DNA dobbelt helix afhænger i det væsentlige af antallet af hydrogenbindinger, der skal brydes for at adskille de to tråde. Derfor, jo længere den dobbelte helix er, jo mere stabil er den. Men da G C parrene er forenet med tre hydrogenbindinger i stedet for to for A T parrene , stabiliteten af dobbelt - strengede DNA-molekyler med den samme længde øges med antallet af G C par , de indeholder, målt ved deres sats. af GC . Denne effekt forstærkes af den kendsgerning, at stabling interaktioner mellem nukleinbaser af samme DNA-strenge er stærkere mellem guanin og cytosin- rester , således at DNA -sekvensen påvirker også dens stabilitet. Smeltetemperaturen for DNA afhænger derfor af molekylernes længde, deres GC-niveau, deres sekvens, deres koncentration i opløsningsmidlet og ionstyrken i det. I molekylærbiologi observeres det, at segmenterne af dobbeltstrenget DNA, hvis funktion indebærer, at de to strenge i den dobbelte helix let kan adskilles, har en høj hastighed på A- T- par : dette er tilfældet med TATAAT-sekvensen, der er typisk for Pribnow kasse med nogle arrangører .
De to DNA- tråde danner en dobbelt spiral, hvis rygrad udgør to riller. Disse riller støder op til basepar og vil sandsynligvis tilvejebringe et bindingssted for forskellige molekyler. Da DNA-strengene ikke er placeret symmetrisk i forhold til dobbelthelixens akse, definerer de to furer af ulig størrelse: hovedrillen er 2,2 nm bred, mens den mindre rille er 1,2 nm . Kanterne på kernebaserne er mere tilgængelige i hovedrillen end i den mindre rille. Således gør proteiner , såsom transkriptionsfaktorer , der binder til specifikke sekvenser i dobbeltstrenget DNA sædvanligvis på det store rilleniveau.
Der er mange mulige overensstemmelse med DNA-dobbelthelixen. De klassiske former kaldes DNA A , DNA B og DNA Z , hvoraf kun de to sidstnævnte er blevet observeret direkte in vivo . Konformationen vedtaget af dobbeltstrenget - strenget DNA afhænger af graden af hydratisering , dets sekvens , dens hastighed på supercoiling , kemiske modifikationer af baserne , som indgår heri, arten og koncentrationen af de metal -ioner i opløsning , eller endog i nærvær af polyaminer .
Indstilling | DNA A | DNA B | Z DNA |
---|---|---|---|
Retning af propellen | ret | ret | venstre |
Gentaget mønster | 1 bp | 1 bp | 2 bp |
Rotation efter par baser | 32,7 ° | 34,3 ° | 60 ° / 2 |
Et par baser pr. Propelsving | 11 | 10.5 | 12 |
Propellestigning pr. Omdrejning | 2,82 nm | 3,32 nm | 4,56 nm |
Akselforlængelse med par baser | 0,24 nm | 0,32 nm | 0,38 nm |
Diameter | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Hældning af baseparret på propelens akse | + 19 ° | -1,2 ° | −9 ° |
Medium twist ( propeller twist ) | + 18 ° | + 16 ° | 0 ° |
Orientering af substituenterne af baser på osidic rester |
anti | anti |
Pyrimidin : anti, Purin : syn |
Foldning / endocyklisk vridning af furanosen ( sukkerpucker ) |
C3'- endo | C2'- endo |
Cytosin : C2'- endo , Guanin : C2'- exo |
Den genekspression af DNA afhænger af, hvor DNA pakkes i kromosomer i en struktur kaldet kromatin . Visse baser kan modificeres under dannelsen af kromatin, de cytosin- resterne i de regioner, som er lidt eller ikke noget genetisk udtryk generelt blive kraftigt methyleret , og dette hovedsagelig på CpG sites . De histoner omkring hvilke DNA indpakket i chromatins kan også covalent modificeret . Kromatin i sig selv kan ændres ved hjælp af kromatinomdannelseskomplekser. Derudover koordineres DNA-methylering og kovalent modifikation af histoner for at påvirke kromatin- og genekspression .
Således producerer methylering af cytosinrester 5-methylcytosin , som spiller en vigtig rolle i inaktivering af X-kromosomet . Methyleringshastigheden varierer mellem organismer, hvor nematoden Caenorhabditis elegans er helt blottet for den, mens hvirveldyr har ca. 1% af deres DNA indeholdende 5-methylcytosin .
Pyrimidiner har en meget lignende molekylær struktur. Således, cytosin og 5-methylcytosin kan deamineres til frembringelse af uracil (som ikke er en base, der er en del af DNA-kode) og thymin hhv. Deamineringsreaktionen kunne derfor fremme genetiske mutationer .
Der er også andre modificerede baser i DNA, som f.eks. Skyldes methylering af adeninrester i bakterier, men også i nematoder ( Caenorhabditis elegans ), grønalger ( Chlamydomonas ) og frugtfluer . Den 5-hydroxymethylcytosine er et derivat af cytosin særligt rigelige i hjernen af pattedyr . Organismer såsom flagellerne Diplonema og Euglena og slægten Kinetoplastida indeholder desuden en glycosyleret pyrimidin afledt af uracil og kaldet base J ; denne modificerede base fungerer som et transkriptionstermineringssignal for RNA-polymerase II . Et antal proteiner, der specifikt binder til base J, er blevet identificeret.
DNA kan blive beskadiget af et stort antal mutagener, der ændrer dens sekvens . Disse mutagener indbefatter oxidanter , den alkylerende , den elektromagnetiske strålingsenergi, såsom ultraviolet og røntgen og gamma , såvel som subatomære partikler af ioniserende stråling, såsom som følge af radioaktivitet, selv kosmiske stråler . Den producerede skade afhænger af typen af mutagen. Således er ultraviolette stråler i stand til at beskadige DNA ved at producere pyrimidindimerer ved at etablere bindinger mellem tilstødende baser af den samme DNA- streng . Oxidanter såsom frie radikaler eller hydrogenperoxid frembringer flere typer skader, såsom baseændringer, herunder guanosin , og brud i den dobbeltstrengede struktur . En typisk menneskelig celle indeholder ca. 150.000 baser beskadiget af en oxidant. Blandt disse læsioner på grund af oxidanter er de farligste dobbeltstrengede brud, fordi de er de sværeste at reparere, og de kan producere punktmutationer , indsættelser og deletioner inden for DNA-sekvensen såvel som kromosomale translokationer . Disse mutationer vil sandsynligvis forårsage kræft . De naturlige ændringer af DNA, som f.eks. Skyldes cellulære processer, der producerer reaktive iltderivater , er ret hyppige. Selvom DNA-reparationsmekanismer løser de fleste af disse læsioner, repareres nogle af dem ikke og akkumuleres over tid i postmitotisk væv hos pattedyr . Akkumuleringen af sådanne ikke-reparerede læsioner synes at være en vigtig underliggende årsag til aldring .
Mange mutagener passer ind i rummet mellem to tilstødende basepar på en måde kaldet intercalation . De fleste interkalationer foretages af aromatiske forbindelser og plane molekyler , såsom ethidiumbromid , acridiner , daunorubicin eller doxorubicin . Baserne skal bevæge sig fra hinanden for at tillade indsættelse af interkaleringsforbindelsen, som forårsager forvrængning af dobbelthelixen ved delvis afvikling. Dette blokerer både transkription og replikation af DNA , hvilket resulterer i cytotoksicitet og mutationer . Som følge heraf kan interkalerende forbindelser være kræftfremkaldende og, i tilfælde af thalidomid , teratogent . Andre forbindelser, såsom epoxybenzo [ a ] pyren diol og aflatoxin, danner addukter med DNA, der forårsager replikationsfejl. På grund af deres evne til at blokere DNA-transkription og replikering anvendes andre lignende toksiner imidlertid også i kemoterapi mod hurtigt prolifererende celler .
DNA findes hovedsageligt i kromosomer , som generelt er lineære i eukaryoter og cirkulære i prokaryoter . I sidstnævnte kan det også findes uden for kromosomerne inden for plasmider . Alt DNA fra en celle udgør dets genom . Det humane genom repræsenterer cirka tre milliarder basepar fordelt i 46 kromosomer. Informationen indeholdt i genomet bæres af segmenter af DNA, der danner generne . Den genetiske information transmitteres gennem specifikke matchende regler baser kaldet Watson-Crick parring: de eneste to par normalt tilladte baser er adenin med thymin og guanin med cytosin . Disse parringsregler ligger til grund for de forskellige processer på arbejdspladsen i DNA's biologiske funktioner:
Når en celle er opdelt , skal den replikere DNA'et, der bærer sit genom, så begge datterceller arver den samme genetiske information som modercellen. DNA-dobbelthelixen tilvejebringer en simpel replikeringsmekanisme: de to tråde vikles ud for at blive adskilt, og hver af de to tråde fungerer som en skabelon til at genskabe en streng med den komplementære sekvens ved parring mellem nukleinsbaser , hvilket gør det muligt at rekonstituere to identiske dobbeltstrengede DNA-helixer . Denne proces katalyseres af et sæt enzymer, blandt hvilke DNA-polymeraser er dem, der komplementerer de uopviklede DNA-tråde for at rekonstruere de to komplementære tråde. Da disse DNA-polymeraser kun kan polymerisere DNA i 5 'til 3' -retningen , griber forskellige mekanismer ind for at kopiere de antiparallelle tråde i den dobbelte helix:
DNA'et i genomet er organiseret og komprimeret i en proces, der kaldes DNA-kondens, så det kan passe ind i en celles tætte rum . I eukaryoter er DNA hovedsageligt lokaliseret i kernen med en lille fraktion også i mitokondrier og i planter i kloroplaster . I prokaryoter findes DNA inden for en uregelmæssig struktur af cytoplasmaet kaldet en nukleoid . Genets genetiske information er organiseret inden for gener , og hele sæt af denne information kaldes en genotype . Et gen er en fraktion af DNA, som påvirker en bestemt egenskab ved organismen og derfor er en del af arvelighed . Den indeholder en åben læseramme, der kan transskriberes til RNA såvel som sekvenser til regulering af genekspression, såsom promotorer og enhancere, der styrer transkription.
I de fleste arter koder kun en lille del af genomet proteiner . Således består ca. 1,5% af det humane genom af exoner, der koder for proteiner, mens mere end 50% af humant DNA består af gentagne ikke-kodende sekvenser ; resten af DNA'et koder for forskellige typer RNA såsom transfer-RNA'er og ribosomale RNA'er . Tilstedeværelsen af en sådan mængde ikke-kodende DNA i genomet af eukaryoter såvel som den store variation i størrelsen på genomet hos forskellige organismer - størrelse, der ikke har nogen relation til kompleksiteten af de tilsvarende organismer - er et kendt spørgsmål siden begyndelsen af molekylærbiologi og kaldes ofte paradokset for C-værdien , denne " C-værdi " betegner, i diploide organismer , størrelsen på genomet og et multipel af denne størrelse i polyploider . Dog kan visse DNA-sekvenser, der koder for proteiner, muligvis ikke kode for molekyler af RNA involveret i den funktionelle regulering af genekspression .
Visse ikke-kodende DNA-sekvenser spiller en strukturel rolle i kromosomer . De telomerer og centromerer indeholder typisk få gener, men bidrage væsentligt til de biologiske funktioner og den mekaniske stabilitet af kromosomer. En betydelig del af ikke-kodende DNA består af pseudogener , som er kopier af gener, der er gjort inaktive som et resultat af mutationer . Disse sekvenser er normalt kun molekylære fossiler, men kan undertiden tjene som genetisk råmateriale til oprettelse af nye gener gennem processer med genetisk duplikering og evolutionær divergens.
Den genekspression er at omdanne den genotypen af en organisme fænotype , dvs., en række karakteristika denne organisation. Denne proces er påvirket af forskellige eksterne stimuli og består af følgende tre hovedfaser:
Bemærk, at det samme DNA i to faser af udviklingen af en organisme kan udtrykkes (på grund af forskellige repressorer og derepressiva) på meget forskellige måder, det mest kendte eksempel er larven og sommerfuglen, morfologisk meget fjernt.
De oplysninger genet kodes af sekvensen af nukleotider i genet DNA kan kopieres til en nukleinsyre forskellig fra kendte DNA og RNA . Dette RNA er strukturelt meget lig et enkeltstrenget DNA-molekyle, men adskiller sig fra det i arten af ose af dets nukleotider - RNA indeholder ribose, hvor DNA indeholder deoxyribose - såvel som et af dets nukleotider. Nukleinsyrebaser - thyminen i DNA erstattes af uracil .
Transkriptionen af DNA til RNA er en kompleks proces, hvis udredning var et stort fremskridt i molekylær biologi i anden halvdel af XX th århundrede. Det er tæt reguleret, især af proteiner kaldet transkriptionsfaktorer, der som reaktion på hormoner for eksempel tillader transkription af målgener: dette er for eksempel tilfældet med kønshormoner såsom østrogen , progesteron og testosteron .
Den RNA resulterende fra transskription af DNA'et kan være ikke-kodende eller kodning. I det første tilfælde har den sin egen fysiologiske funktion i cellen ; i det andet tilfælde er det et messenger-RNA , der bruges til at transportere den genetiske information indeholdt i DNA'et til ribosomerne , som organiserer afkodningen af denne information ved hjælp af overførsels-RNA'et . Disse overførsels-RNA'er er bundet til en aminosyre blandt de 22 proteinogene aminosyrer og har hver en gruppe på tre på hinanden følgende nukleinbaser kaldet anticodon . De tre baser af disse antikodoner kan parres med tre på hinanden følgende baser af messenger-RNA'et, hvor denne triplet af baser danner et kodon komplementært til antikodonet for transfer-RNA'et. Komplementariteten af messenger RNA codon og transfer RNA anticodon er baseret på parringsregler for Watson-Crick-type, der styrer den sekundære struktur af dobbeltstrengede DNA'er .
Korrespondensen mellem de 64 mulige kodoner og de 22 proteinogene aminosyrer kaldes den genetiske kode . Denne kode materialiseres af de forskellige overførsels-RNA'er, der fysisk danner forbindelsen mellem en given aminosyre og forskellige antikodoner i henhold til de forskellige overførsels-RNA'er, der kan binde til den samme aminosyre. Således kan en given sekvens af nukleinsbaser i et gen på DNA omdannes til en præcis sekvens af aminosyrer, der danner et protein i cellens cytoplasma.
Der er flere kodoner, end der er aminosyrer at kode. Den genetiske kode siges derfor at være degenereret. Ud over proteinogene aminosyrer koder det også slutningen af translation ved hjælp af tre bestemte kodoner kaldet STOP- kodoner : TAA, TGA og TAG på DNA'et.
Alle de biologiske funktioner i DNA afhænger af interaktioner med proteiner . Disse kan variere fra ikke-specifikke interaktioner til interaktioner med proteiner, der specifikt binder til en specifik DNA- sekvens . Af enzymer kan også binde til DNA, og blandt disse spiller de polymeraser, der tilvejebringer DNA-replikation og dets transkription i RNA, en særlig vigtig rolle.
Strukturelle proteiner, der binder til DNA, giver velkendte eksempler på ikke-specifikke interaktioner mellem proteiner og DNA. Dette opretholdes inden for kromosomer ved at danne komplekser med strukturelle proteiner, der kondenserer DNA til en kompakt struktur kaldet kromatin . I eukaryoter involverer denne struktur små basale proteiner kaldet histoner , mens den involverer mange proteiner af forskellig art i prokaryoter . Histoner danner et skiveformet kompleks med DNA kaldet et nukleosom indeholdende to komplette drejninger af et dobbeltstrenget DNA-molekyle viklet rundt om proteinet. Disse ikke-specifikke interaktioner er etableret mellem de basiske rester af histoner og syre rygrad bestående af en alternerende ose - phosphat bærer de nukleinbaser af DNA dobbelt helix. På denne måde dannes ioniske bindinger , som er uafhængige af DNA- basesekvensen . Disse basiske aminosyrerester gennemgår kemiske ændringer såsom methyleringer , phosphoryleringer og acetyleringer . Disse kemiske modifikationer ændrer intensiteten af interaktioner mellem DNA og histoner, hvilket gør DNA mere eller mindre tilgængeligt for transkriptionsfaktorer og således modulerer transkriptionsaktivitet . Andre proteiner, der ikke-specifikt binder til DNA, inkluderer nukleare proteiner i gruppen med høj elektroforetisk mobilitet , kendt som HMG , som binder til bøjet eller snoet DNA. Disse proteiner er vigtige for at bøje netværk af nukleosomer og arrangere dem i de større strukturer, der udgør kromosomer.
Af proteinerne med ikke-specifikke interaktioner med DNA udgør de, der binder specifikt til enkeltstrenget DNA , en særlig gruppe. Hos mennesker er protein A den bedst forståede repræsentant. Det sker, når de to tråde i en dobbelt helix adskilles, især under DNA-replikation , rekombination og reparation . Disse proteiner ser ud til at stabilisere enkeltstrenget DNA og forhindre det i at danne stamme-loop - hårnålestrukturer - eller nedbrydes af nukleaser .
Proteiner, der er specifikke for en DNA-sekvensOmvendt binder andre proteiner kun til specifikke DNA- sekvenser . Blandt disse proteiner er de mest undersøgte de forskellige transkriptionsfaktorer , som er proteiner, der regulerer transkription . Hver transkriptionsfaktor binder kun til et bestemt sæt DNA-sekvenser og aktiverer eller inhiberer gener, hvoraf en af disse specifikke sekvenser er tæt på promotoren . Transskriptionsfaktorer opnår dette på to måder. De kan først binde til RNA-polymerasen, der er ansvarlig for transkription, direkte eller gennem andre mediatorproteiner; dette positionerer polymerasen på niveauet af promotoren og tillader den at starte transkription. De kan også binde til enzymer, der modificerer histoner på promotorniveau, hvilket har den virkning at modificere tilgængeligheden af DNA til polymerasen.
Fordi disse DNA-mål kan distribueres gennem en organisms genom , kan en ændring i aktiviteten af en type transkriptionsfaktor påvirke tusinder af gener. Derfor er disse proteiner ofte målet for signaltransduktionsprocesser , der styrer reaktioner på miljøændringer, celleudvikling eller differentiering . Specificiteten af interaktionen mellem disse transkriptionsfaktorer og DNA kommer fra det faktum, at disse proteiner etablerer adskillige kontakter med kanterne af nukleinbaserne , hvilket tillader dem at "læse" DNA-sekvensen. De fleste af disse interaktioner finder sted i den store rille i DNA-dobbelthelixen, hvor baserne er mest tilgængelige.
De nukleaser er enzymer , der spalter de strenge af DNA i katalyse af hydrolysen af phosphodiesterbindinger . Nukleaser, der spalter nukleotider placeret i slutningen af DNA-tråde, kaldes exonukleaser , mens de, der spalter nukleotider, der er placeret inde i DNA-tråde, kaldes endonukleaser . De mest anvendte nukleaser i molekylærbiologi er restriktionsenzymer , som spalter DNA ved specifikke sekvenser . EcoRV-enzymet genkender således sekvensen af seks baser 5'-GATATC-3 ' og spalter den i midten. In vivo , disse enzymer beskytte bakterier mod infektion med fager ved fordøjelse af DNA fra disse vira når det kommer ind i bakterielle celle . I molekylær teknik anvendes de i molekylære kloningsteknikker og til at bestemme det genetiske fingeraftryk .
DNA ligaserOmvendt kan enzymer kaldet DNA-ligaser genbinde brudte eller spaltede DNA-tråde. Disse enzymer er særligt vigtige under DNA-replikation, fordi det er dem, der syr Okazaki-fragmenterne, der er produceret på den efterslæbende streng, også kaldet indirekte streng, på niveauet med replikationsgaffelen. De er også involveret i DNA-reparation og genetiske rekombinationsmekanismer .
De topoisomeraser er enzymer har begge en aktivitet nuklease og en aktivitet ligase . Den DNA-gyrase er et eksempel på sådanne enzymer. Disse proteiner ændrer hastigheden af DNA-supercoiling ved at adskille en dobbelt helix for at tillade de to dannede segmenter at rotere i forhold til hinanden ved at frigive superspolerne, før de sys sammen igen. Andre typer topoisomeraser er i stand til at skære en dobbelt helix for at tillade passage af et andet dobbelt helix-segment gennem det således dannede brud inden lukning af sidstnævnte. Topoisomeraser er vigtige for mange processer, der involverer DNA, såsom DNA- transkription og replikation .
HelicasesDe helicaser er former for molekylære motorer . De bruger kemiske energi nukleosid triphosphat væsentlige ATP , at bryde hydrogenbindingerne mellem basepar og koble DNA dobbelt helix at frigøre begge strenge . Disse enzymer er essentielle for de fleste processer, der kræver enzymer for at få adgang til DNA- baserne .
DNA-polymeraserDe DNA-polymeraser er enzymer , der syntetiserer kæder polynukleotider fra nukleosid -triphosphater . Sekvensen af kæderne, de syntetiserer, bestemmes af sekvensen af en allerede eksisterende polynukleotidkæde kaldet en matrix . Disse enzymer virker ved kontinuerligt at tilsætte nukleotider til hydroxylet i 3'-enden af den voksende polypeptidkæde. Af denne grund arbejder alle polymeraser i retning 5 'til 3' . Nukleosidtriphosphat, der har en base, der er komplementær til templatens, parrer sig i det aktive sted af disse enzymer, hvilket tillader polymeraser at producere DNA- strenge, hvis sekvens er nøjagtigt komplementær til den for template-strengen. Polymeraser klassificeres efter den type tråde, de bruger.
Under replikation , DNA-afhængige DNA-polymeraser lave kopier af DNA-strenge. For at bevare genetisk information er det vigtigt, at basesekvensen for hver kopi er nøjagtigt komplementær til basesekvensen på skabelonstrengen. For at gøre dette har mange DNA-polymeraser evnen til at rette deres mulige replikationsfejl - korrekturlæsningsfunktion . De er derfor i stand til at identificere defekten i dannelsen af et basepar mellem skabelonstrengen og den voksende streng ved basen, som de netop har indsat, og spalte dette nukleotid ved hjælp af 3 '→ 5' exonukleaseaktivitet for at eliminere denne replikation fejl. I de fleste organismer fungerer DNA-polymeraser i store komplekser kaldet replisomes, der indeholder flere komplementære underenheder såsom klemmer - DNA-pincet - og helicases .
RNA-afhængige DNA-polymeraser er en klasse af specialiserede polymeraser, der er i stand til at kopiere en RNA- sekvens til DNA. De omfatter revers transkriptase , der er et viralt enzym, der er involveret i infektion af værtens celler ved retrovira , og telomerase , et enzym essentielt for telomere replikation . Telomerase er en usædvanlig polymerase, idet den indeholder sin egen RNA-skabelon inden for dens struktur.
RNA-polymeraserDen transkription udføres af en RNA-polymerase DNA-afhængig, der kopierer en DNA-sekvens i RNA . For at starte transkription af et gen binder RNA-polymerase først en DNA-sekvens kaldet en promotor og adskiller DNA-strengene. Derefter kopierer den DNA-sekvensen, der udgør genet, i en komplementær RNA-sekvens, indtil den når en region af DNA kaldet terminatoren , hvor den stopper og løsner sig fra DNA'et. Som DNA-polymeraseafhængigt DNA fungerer RNA-polymerase II - enzym, der transkriberer de fleste gener af det humane genom - inden for et stort proteinkompleks, der omfatter flere supplerende og regulerende underenheder .
Forud for hver celledeling er DNA-replikation førende til kromosomreplikation . Denne proces bevarer normalt cellens genetiske information , hver af de to datterceller arver en komplet genetisk arv, der er identisk med modercellens. Imidlertid finder denne proces undertiden ikke sted normalt, og den genetiske information i cellen ændres. Vi taler i dette tilfælde om genetisk mutation . Denne ændring af genotypen kan være ubetydelig eller tværtimod også ændre fænotypen, der er resultatet af ekspressionen af de ændrede gener .
En DNA-dobbelthelix interagerer normalt ikke med andre DNA-segmenter, og i humane celler besætter de forskellige kromosomer endda hver især deres egne regioner inden i kernen kaldet det kromosomale område . Denne fysiske adskillelse af de forskellige kromosomer er afgørende for, at DNA fungerer som et stabilt og vedvarende lager af genetisk information, da en af de sjældne tidspunkter, hvor kromosomer interagerer, forekommer under krydset, der er ansvarlig for genetisk rekombination , det vil sige, når to DNA-dobbelthelixer er brudt, skift deres sektioner og svejses sammen.
Rekombination tillader kromosomer at udveksle genetisk materiale og producere nye kombinationer af gener , hvilket øger effektiviteten af naturlig selektion og kan være medvirkende til den hurtige udvikling af nye proteiner . Genetisk rekombination kan også forekomme under DNA-reparation , især i tilfælde af samtidig brud på begge dele af DNA-dobbelthelixen.
Den mest almindelige form for kromosom rekombination er homolog rekombination , hvor de to interagerende kromosomer deler meget ens sekvenser . Ikke-homologe rekombinationer kan skade cellerne alvorligt, da de kan føre til translokationer og genetiske abnormiteter. Rekombinationsreaktionen katalyseres af enzymer kaldet rekombinaser , såsom Rad51- proteinet . Det første trin i denne proces er et brud i begge tråde af den dobbelte helix forårsaget af endonuklease eller DNA-beskadigelse. En række trin katalyseret af rekombinasen resulterer i sammenføjning af de to helixer ved mindst et Holliday-kryds , hvor et enkeltstrenget segment af hver dobbelthelix er svejset til den komplementære streng af den anden dobbelthelix. Holliday-krydset er et korsformet kryds, som, når strengene har symmetriske sekvenser, kan bevæge sig langs kromosomparet og bytte den ene streng mod den anden. Rekombinationsreaktionen stoppes ved at spalte krydset og sy det frigivne DNA.
Den genetiske information kodet af DNA er ikke nødvendigvis rettet over tid, og visse sekvenser kan sandsynligvis bevæge sig fra en del af genomet til en anden. Dette er de mobile genetiske elementer . Disse elementer er mutagene og kan ændre cellernes genom . Blandt dem findes især transposoner og retrotransposoner , hvor sidstnævnte virker, i modsætning til førstnævnte, gennem et mellemliggende RNA, der giver tilbage en DNA-sekvens under virkning af en revers transkriptase . De bevæger sig inden for genomet under påvirkning af transposaser , bestemte enzymer, der løsner dem fra ét sted og fastgør dem igen til et andet sted i cellegenomet, og menes at være ansvarlige for migrationen af ikke mindre end 40% af det menneskelige genom til under udviklingen af Homo sapiens .
Disse transponerbare grundstoffer udgør en vigtig brøkdel af genomet af levende væsener, især i planter, hvor de ofte repræsenterer størstedelen af nukleart DNA , såsom i majs, hvor 49 til 78% af genomet består af retrotransposoner. I hvede består næsten 90% af genomet af gentagne sekvenser og 68% af transponerbare elementer. Hos pattedyr består næsten halvdelen af genomet - 45-48% - af transponerbare elementer eller rester deraf, og ca. 42% af det humane genom består af retrotransposoner, mens 2 til 3% dannes fra DNA-transposoner. De er derfor vigtige elementer i funktionen og udviklingen af organismenes genom.
De såkaldte gruppe I- og gruppe II- introner er andre mobile genetiske elementer. De er ribozymer , det vil sige RNA-sekvenser udstyret med katalytiske egenskaber som enzymer , der er i stand til autokatalyse af deres egen splejsning . Dem i gruppe I behøver guanin nukleotider til funktion, i modsætning til dem i gruppe II . Gruppe I-introner findes for eksempel sporadisk i bakterier , mere signifikant i enkle eukaryoter og i et meget stort antal højere planter . Endelig findes de i generne af et stort antal bakteriofager af Gram-positive bakterier , men kun et par fager af Gram-negative bakterier - fx fag T4 .
Den genetiske information i en celle kan udvikle sig under virkningen af inkorporeringen af eksogent genetisk materiale absorberet gennem plasmamembranen . Vi taler om vandret genoverførsel i modsætning til lodret overførsel, der skyldes reproduktion af levende væsener. Det er en vigtig evolutionær faktor i mange organismer, især i encellede . Denne proces involverer ofte bakteriofager eller plasmider .
De bakterier, der er i stand til jurisdiktion, vil sandsynligvis absorbere et eksternt DNA-molekyle direkte og inkorporere det i deres eget genom , en proces kaldet genetisk transformation . De kan også opnå dette DNA som et plasmid fra en anden bakterie gennem processen med bakteriekonjugering . Endelig kan de modtage dette DNA via en bakteriofag (en virus ) ved transduktion . De eukaryoter kan også modtage exogent genetisk materiale gennem en proces kaldet transfektion .
DNA indeholder al den genetiske information, der gør det muligt for levende ting at leve, vokse og reproducere. Det vides imidlertid ikke, om DNA i løbet af de 4 milliarder år af livets historie på Jorden altid har spillet denne rolle. En teori antyder, at det var en anden nukleinsyre , RNA , som var bæreren af den genetiske information om de første livsformer, der dukkede op på vores planet. RNA ville have spillet den centrale rolle i en tidlig form for cellemetabolisme i det omfang, det sandsynligvis både formidler genetisk information og katalyserer de kemiske reaktioner, der danner ribozymer . Denne RNA-verden , hvor RNA ville have tjent både som en støtte for arvelighed og som enzymer , ville have påvirket udviklingen af den genetiske kode med fire nukleiske baser , hvilket giver et kompromis mellem nøjagtigheden af kodningen af den genetiske information begunstiget af et lille antal baser på den ene side og den katalytiske effektivitet af enzymer begunstiget af et større antal monomerer på den anden side.
Der er dog ingen direkte beviser for, at metaboliske og genetiske systemer tidligere har været forskellige fra dem, vi kender i dag, da det stadig er umuligt at udvinde genetisk materiale fra de fleste fossiler . DNA vedvarer ikke i mere end en million år, før det opdeles i korte fragmenter. Eksistensen af intakt ældste DNA er blevet foreslået, især en bakteriel levedygtig ekstraheret fra en krystal af salt, der er gammel 150 millioner år, men disse publikationer forbliver kontroversielle.
Nogle DNA-komponenter - adenin , guanin og relaterede organiske forbindelser - kan være dannet i rummet . Bestanddele af DNA og RNA, såsom uracil , cytosin og thymin, er også blevet opnået i laboratoriet under betingelser, der gengiver dem, der er stødt på i det interplanetære og interstellære miljø fra enklere forbindelser såsom pyrimidin , der findes i meteoritter . Pyrimidin, ligesom nogle polycykliske aromatiske kulbrinter (PAH) - de rigeste carbon forbindelser påvist i universet - kunne dannes i røde gigantiske stjerner eller interstellare skyer .
Metoder er blevet udviklet til at rense DNA fra levende ting, såsom ekstraktion af phenol-chloroform , og manipulere det i laboratoriet, såsom restriktionsenzymer og PCR . Den biologi og biokemi moderne gøre udstrakt brug af disse teknikker i molekylær kloning (i) . Det rekombinante DNA er en sekvens af syntetisk DNA samlet fra andre DNA-sekvenser. Sådan DNA kan transformere organismer i form af plasmider eller ved hjælp af en viral vektor . De resulterende genetisk modificerede organismer (GMO'er) kan bruges til at producere for eksempel rekombinante proteiner , der anvendes i medicinsk forskning eller i landbruget .
DNA ekstraheret fra blod , sæd , spyt , et fragment af hud eller hår taget på en gerningssted kan bruges i retsmedicin til at bestemme en mistænktes DNA-fingeraftryk . Til dette formål sammenlignes sekvensen af DNA-segmenter, såsom mikrosatellitsekvenser eller minisatellitter, med sekvensen af individer, der er valgt til lejligheden eller allerede er anført i databaser. Denne metode er generelt meget pålidelig til identifikation af DNA svarende til en mistænkt persons. Identifikation kan dog gøres mere kompleks, hvis gerningsstedet er forurenet med DNA fra mere end en person. DNA-identifikation blev udviklet i 1984 af den britiske genetiker Sir Alec Jeffreys og blev først brugt i 1987 til at fejle en voldtægtsmand for en seriemorder .
I det omfang DNA akkumulerer mutationer over tid, der overføres ved arvelighed , indeholder det historisk information, som, når det analyseres af genetikere ved at sammenligne sekvenser fra organismer med forskellige historier, gør det muligt at spore historien om udviklingen af disse organismer, dvs. , deres fylogenese . Denne disciplin, der sætter genetik i tjeneste for paleobiologi , tilbyder et stærkt efterforskningsværktøj inden for evolutionær biologi . Ved at sammenligne DNA-sekvenser fra den samme art kan populationsgenetikere studere historien om bestemte populationer af levende ting, et felt der spænder fra økologisk genetik til antropologi . Studiet af mitokondrie-DNA inden for menneskelige populationer bruges således til at spore migrationen af Homo sapiens . Den haplogroup X er for eksempel blevet undersøgt paleodemography at vurdere den mulige slægtskab af Paleo-indianere med europæiske populationer af Øvre Ældste stenalder .
( Fr ) fylogenetisk træ fremhæve de tre områder af livet: eukaryoter er repræsenteret i rød, archaea i grønt og bakterier i blåt.
Kort over menneskelige vandringer udledt af fylogenetiske studier af det humane mitokondrie genom .
Bioinformatik involverer manipulation, forskning og udforskning af biologiske data , som inkluderer DNA- sekvenser . Udviklingen af teknikker til lagring og søgning efter DNA-sekvenser har ført til computerfremskridt, der er meget anvendt andre steder, især med hensyn til substringsøgningsalgoritmer , maskinindlæring og databaseteori . De tegn snor søgning algoritmer , som gør det muligt at finde en sekvens af bogstaver, der indgår i en sekvens af længere breve, der er udviklet for at søge efter specifikke sekvenser af nukleotider . DNA-sekvensen kan justeres med andre DNA-sekvenser for at identificere homologe sekvenser og lokalisere de specifikke mutationer, der adskiller dem. Disse teknikker, herunder tilpasning af flere sekvenser , bruges til at studere de fylogenetiske forhold og proteiner .
Datalagre, der repræsenterer den komplette sekvens af et genom, såsom dem, der produceres af Human Genome Project , vokser til en sådan størrelse, at de er vanskelige at bruge uden de kommentarer, der identificerer placeringen af gener og regulerende elementer på dem. Hvert kromosom . Regioner af DNA-sekvenser, der har de karakteristiske motiver forbundet med gener der koder for funktionelle proteiner eller RNA'er kan identificeres ved gen forudsigelse algoritmer , der tillader forskerne at forudsige tilstedeværelsen af bestemte genprodukter og deres eventuelle funktion i kroppen. I en organisme selv før de er eksperimentelt isoleret. Hele genomer kan også sammenlignes, hvilket kan fremhæve udviklingshistorien for bestemte organismer og tillade undersøgelse af komplekse evolutionære begivenheder.
Den DNA nanoteknologi udnytte de unikke egenskaber af molekylær genkendelse (en) DNA og mere generelt af nukleinsyrer til at skabe forgrenede DNA-komplekser selv-samlet udrustet med interessante egenskaber. Fra dette synspunkt bruges DNA som et strukturelt materiale snarere end som en bærer af biologisk information. Dette har ført til oprettelsen af todimensionelle periodiske arrays, hvad enten de er samlet i mursten eller ved DNA-origami- processen eller tredimensionelle med en polyhedral form . DNA- nanomaskiner og konstruktioner ved algoritmisk selvmontering er også produceret . Sådanne DNA-strukturer kunne bruges til at organisere arrangementet af andre molekyler, såsom guldnanopartikler og streptavidinmolekyler , et protein, der danner meget resistente komplekser med biotin . Forskning i molekylær elektronik baseret på DNA har fået Microsoft- firmaet til at udvikle et programmeringssprog kaldet DNA Strand Displacement (DSD), der anvendes i visse udførelsesformer for molekylære nanoelektroniske komponenter baseret på DNA.
Da DNA bruges af levende væsener til at gemme deres genetiske information , er nogle forskerhold også studere det som et medie til at lagre digitale oplysninger på samme måde som computer hukommelse . De nukleinsyrer vil præsentere faktisk den fordel at lagre information tæthed betydeligt højere end for traditionelle medier - teoretisk mere end ti størrelsesordener - med en levetid også meget højere.
Det er teoretisk muligt at indkode to bits af data per nukleotid , hvilket tillader lagerkapacitet nå 455 millioner terabytes pr gram af DNA enkelt streng forbliver læselige for adskillige årtusinder selv i ikke-ideelle opbevaringsbetingelser, og som koder teknik op til 215.000 terabytes per gram DNA blev foreslået i 2017 Til sammenligning indeholder en dobbeltsidet dobbeltlags- DVD kun 17 gigabyte til en typisk masse på 16 g - det er 400 milliarder gange mindre lagerkapacitet pr. Enhedsenhed. Et hold fra Det Europæiske Institut for Bioinformatik lykkedes således i 2012 med at kode 757.051 byte ud af 17.940.195 nukleotider , hvilket svarer til en lagringstæthed på cirka 2.200 terabyte pr. Gram DNA. Et schweizisk team offentliggjorde på sin side i februar 2015 en undersøgelse, der demonstrerer robustheden af DNA indkapslet i silica som et holdbart informationsmedium.
Derudover arbejder andre hold på muligheden for at lagre information direkte i levende celler , for eksempel for at kode tællere på DNA'et i en celle for at bestemme antallet af divisioner eller differentieringer , som kan finde anvendelser inden for kræft og aldringsforskning .
DNA blev først isoleret i 1869 af Swiss biolog Friedrich Miescher som et phosphor- rig substans fra pus af brugte kirurgiske bandager. Da dette stof blev fundet i kernen af celler , Miescher kaldte det nuclein . I 1878 isolerede den tyske biokemiker Albrecht Kossel ikke- proteinkomponenten i dette "nuklein" - nukleinsyrerne - identificerede derefter dets fem nukleinsbaser . I 1919 den amerikanske biolog Phoebus Levene identificerede bestanddele nukleotider , dvs. nærvær af en base, en ose og en phosphat -gruppe . Han foreslog, at DNA bestod af en kæde af nukleotider, der var forbundet med deres fosfatgrupper. Han mente, at kæderne var korte, og at baserne fulgte hinanden gentagne gange i en fast rækkefølge. I 1937 producerede den britiske fysiker og molekylærbiolog William Astbury det første diffraktionsmønster af DNA ved røntgenkrystallografi , hvilket viser, at DNA har en ordnet struktur.
I 1927 intuiterede den russiske biolog Nikolai Koltsov, at arvelighed stod på et "kæmpe arveligt molekyle", der består af "to spejlstrenge af hinanden, der ville reproducere på en semi-konservativ måde ved hjælp af hver streng som model". Han mente imidlertid, at dette var proteiner, der bar genetisk information. I 1928 gennemførte den engelske bakteriolog Frederick Griffith et berømt eksperiment, som nu bærer hans navn, og hvorved han demonstrerede, at levende ikke- virulente bakterier, der blev bragt i kontakt med virulente bakterier, der blev dræbt af varme, kunne omdannes til virulente bakterier. Dette eksperiment banede vejen for identifikation i 1944 af DNA som en vektor af genetisk information gennem eksperimentet med Avery, MacLeod og McCarty . Den belgiske biokemiker Jean Brachet demonstrerede i 1946, at DNA er en bestanddel af kromosomer , og DNA's rolle i arvelighed blev bekræftet i 1952 ved eksperimenterne med Hershey og Chase, som viste, at det genetiske materiale af fag T2 består af DNA.
Den første antiparallelle dobbelte helixstruktur , der i dag blev anerkendt som den korrekte DNA-model, blev offentliggjort i 1953 af den amerikanske biokemiker James Watson og den britiske biolog Francis Crick i en nu klassisk artikel i tidsskriftet Nature . De arbejdede med emnet siden 1951 på Cavendish Laboratory ved Cambridge University og opretholdt som sådan privat korrespondance med den østrigske biokemiker Erwin Chargaff , oprindeligt af reglerne for Chargaff , offentliggjort i foråret 1952, hvorunder inden i et DNA-molekyle er niveauet af hver af purinbaserne i det væsentlige lig med niveauet for en af de to pyrimidinbaser , mere præcist er niveauet af guanin lig med niveauet for cytosin, og at niveauet af adenin er lig med niveauet for thymin , hvilket antydede ideen om parring af adenin med thymin og guanin med cytosin.
I maj 1952 tog den britiske studerende Raymond Gosling , der arbejdede under Rosalind Franklin i John Randalls team , et røntgendiffraktionsbillede ( plade 51 ) af en stærkt hydreret DNA-krystal. Dette øjebliksbillede blev delt med Crick og Watson uden Franklins viden og var medvirkende til at etablere den korrekte DNA-struktur. Franklin havde også angivet for de to forskere, at strukturens fosforramme skulle være uden for den og ikke nær den centrale akse, som man dengang troede. Hun havde yderligere identificeret rumklyngen af DNA-krystaller, som gjorde det muligt for Crick at bestemme, at de to DNA-tråde var antiparallelle. Mens Linus Pauling og Robert Corey offentliggjort en molekylær model af en nukleinsyre er dannet af tre kæder sammenflettet med i overensstemmelse med ideer tiden, phosphat -grupper nær midteraksen og nukleinbaser vender udad, Crick og Watson afsluttet i februar 1953 deres antiparallelle to-kædemodel med fosfatgrupperne på ydersiden og nukleiske baser inde i den dobbelte helix, en model, der nu anses for at være den første korrekte DNA-struktur, der nogensinde er blevet foreslået.
Dette arbejde blev offentliggjort i tidsskriftet Nature den 25. april 1953 gennem fem artikler, der beskriver strukturen, der er afsluttet af Crick og Watson, samt beviserne for dette resultat. I den første artikel med titlen Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid , Crick and Watson state: "Det har ikke undgået vores opmærksomhed om, at den specifikke parring, vi postulerede straks, antyder en mulig mekanisme til replikering af materialet. ”. Denne artikel blev efterfulgt af en publikation af briterne Maurice Wilkins et al. undersøgelse af røntgendiffraktion med B-DNA in vivo , som understøttede eksistensen af den dobbelte helixstruktur i levende celler og ikke kun in vitro , og den første offentliggørelse af Franklin og Goslins arbejde med de data, de havde opnået ved røntgendiffraktion og deres egen analysemetode.
Rosalind Franklin døde i 1958 af kræft og modtager derfor ikke Nobelprisen i fysiologi eller medicin, der blev tildelt i 1962 , "for deres opdagelser vedrørende nukleinsyrernes molekylære struktur og deres betydning for overførsel af genetisk information i det levende stof", til Francis Crick, James Watson og Maurice Wilkins, der ikke havde et ord til at kreditere Franklin for hans arbejde; det faktum, at hun ikke var forbundet med denne Nobelpris, diskuteres fortsat.
I 1957 offentliggjorde Crick et papir, der formede det, der i dag er kendt som den grundlæggende teori om molekylærbiologi, ved at beskrive forholdet mellem DNA, RNA og proteiner , der er artikuleret omkring "'adapteren'. Bekræftelsen af den form for semi-konservativ replikering af den dobbelte helix kom i 1958 med eksperimentet med Meselson og Stahl . Crick et al. fortsatte deres arbejde og viste, at den genetiske kode er baseret på successive tripletter af nukleiske baser kaldet kodoner , som tillod at tyde den genetiske kode af Robert W. Holley , Har Gobind Khorana og Marshall W. Nirenberg . Disse opdagelser markerede fødslen af molekylærbiologi .
DNA's spiralformede struktur har inspireret adskillige kunstnere, hvoraf den mest berømte er den surrealistiske maler Salvador Dalí , der blev inspireret af det i ni malerier mellem 1956 og 1976 , herunder Paysage de papillon (Den store onani i et surrealistisk landskab med DNA) (1957 -1958) og Galacidalacidesoxyribonukleinsyre (1963).
” Vi genfandt 757.051 byte information fra 337 pg DNA, hvilket gav en informationslagertæthed på 2,2 PB / g (= 757,051 / 337 × 10 −12 ) . Vi bemærker, at denne informationstæthed er nok til at gemme US National Archives and Records Administration's Electronic Records Archives '2011 i alt ~ 100 TB i < 0,05 g DNA, Internet Archive Wayback Machines 2 PB arkiv af websteder i ~ 1 g af DNA og CERNs 80 PB CASTOR-system til LHC-data i ~ 35 g DNA. "
“ Ich habe mich daher später mit meinen Versuchen an die ganzen Kerne gehalten, die Trennung der Körper, die ich einstweilen ohne weiteres Präjudiz as lösliches und unlösliches Nuclein bezeichnen will, einem günstigeren Material überlassend. "
”Jeg tror, at størrelsen af kromosomerne i spytkirtlerne [af Drosophila ] bestemmes af multiplikationen af genonemer. Jeg betegner med dette udtryk kromosomets aksiale tråd, hvor genetikere lokaliserer den lineære kombination af gener; ... I det normale kromosom er der normalt kun et genonem; før celledeling findes dette genoneme opdelt i to tråde. "
” Sommerfuglelandskab (Den store onanator i surrealistisk landskab med DNA) viser Dalis tag. Skønt dette var den første, der blev oprettet kun få år efter Watson og Cricks meddelelse om dobbelthelixen, ville DNA dukke op i mange af Dalis fremtidige værker. Som skabelsesagent er det måske let at se, hvorfor sommerfugle udspringer af den ikoniske struktur i dette maleri. Men det ser også ud til, at Dali brugte DNA til ikke kun at symbolisere skabelse, men også den større idé om Gud, og det kan være grunden til, at noget af den molekylære struktur synligt stikker ud fra skyerne. "
”Salvador Dali fremkalder sit forhold til videnskaben, især til DNA, som en kilde til inspiration for sit arbejde. Han giver videnskaben en poetisk dimension og omdirigerer den til plastiske formål. Han iscenesætter det og bruger det i tjeneste for sine fantasier og den "paranoide-kritiske" metode. "