07 februari 2012

Is DNA 'The Secret of Life'?

Op 28 februari 1953, de dag dat Watson en Crick hun dubbele helix model voor DNA voltooid hadden, zouden ze in de pub waar ze altijd lunchten, plechtig hebben verkondigd [1]:

We have discovered the Secret of Life!

Een dramatische uitspraak. Als het begrip 'secret of life' al een wetenschappelijke betekenis heeft, dan zou het zoiets moeten betekenen als: we hebben ontdekt hoe erfelijkheid werkt op moleculair niveau. En dat klopt. Tenminste gedeeltelijk. Vijftig jaar eerder, in 1903 had Sutton de hypothese gepubliceerd dat Mendelse genen op chromosomen moesten liggen. Maar Sutton wist niets van DNA. In 1900 waren de wetten van Mendel herontdekt. Mendel publiceerde zijn wetten in 1866. Charles Darwin had een erfelijkheidstheorie (pangenen) die al snel fout bleek. Darwin wist niets van chromosomen en al helemaal niet van DNA. In 1953 was het nog gangbaar dat eiwitten de dragers van erfelijkheid waren [3]. We kunnen dus zeggen dat Watson en Crick in 1953 een groot wetenschappelijke probleem hebben opgelost. DNA is het erfelijkheids molecuul en de structuur er van (met name de gepaarde bases) suggereert een manier voor replicatie van DNA. De ene helft van de DNA streng is een replica van de andere helft. Als de helften uit elkaar gaan kun je de ontbrekende helften aanvullen. Zo heb je uit 1 DNA molecuul 2 exacte kopieën [2]. Dat is de essentie van erfelijkheid. Gedeeltelijk.

Was dat alles? Nee. Want in 1953 hadden ze nog niet de genetisch code ontdekt: hoe de base volgorde in DNA voor eiwitten codeert. In 1953 was DNA een ontzettend lange rij bases. Het heeft nog vele jaren geduurd voordat men bewezen had dat de bases per 3 (tripletten) gelezen werden. Dat is niet te zien aan de bases zelf. Er is geen teken na iedere drie bases. Of zoiets. Ze zitten allemaal achter elkaar. Zonder tussenruimte. Dus de genetische code volgde niet automatisch uit de structuur van DNA. Maar zonder de structuur van DNA was de genetisch code niet op te lossen.

Goed, als we de structuur van DNA en de genetische code samen nemen, is dat de Secret of Life? Dat komt aardig in de buurt: het leven bestaat dankzij door DNA gecodeerde eiwitten. Het leven bestaat uit de koppeling van twee werelden: de DNA-wereld en de eiwit-wereld. Dat is een universele eigenschap van het leven (op aarde). De benaming Secret of Life vind ik ook gerechtvaardigd om de volgende reden:

Er is geen diepere verklaring voor erfelijkheid dan DNA.

Je kunt niet dieper gaan dan de moleculaire structuur van DNA. Erfelijkheid zit niet in atomen of sub-atomaire deeltjes. DNA is de ultieme verklaring voor erfelijkheid.

Toch ontbreekt er nog iets aan de Secret of Life: het ontstaan van het leven! Hoe DNA ontstaan is, volgt niet logisch uit de structuur van DNA. Je weet de bestanddelen van DNA en daarom kun je DNA synthetiseren in het laboratorium, en dat DNA werkt precies zoals natuurlijk DNA. Maar hoe DNA is ontstaan ten tijde van het ontstaan van het leven, is een zeer weerbarstige vraag, die nog niet beantwoord is. Dus wat dat betreft is de Secret of Life nog niet onthuld.

PS:
Wat DNA is voor het leven is, is E=mc2 voor de fysische werkelijkheid [4].

Noten
  1. Francis Crick: "According to Jim [Watson] I went into the Eagle, the pub across the road where we lunched every day, and told everyone that we'd discoverd the secret of life." ( What Mad Pursuit, p. 77). Aaron Klug beschrijft het zo: "On 28th February 1953, Crick “winged” into theEagle pub, close to the Cavendish Laboratory, where lunch could be had for 1s 9d, and declared to anyone who cared to listen that, in the Cavendish, Watson and he had discovered “the secret of life”.  (Aaron Klug). Verder heeft Watson een boek gepubliceerd: DNA: The Secret of Life (2003).
  2. 'Genetical Implications of the Structure of Deoxyribonucleic Acid' was de tweede publicatie in mei 1953 in Nature. "It should be remembered that at the time, no one, not even Watson, had imagined that the 3D structure of DNA alone, important as that might turn out to be, would by itself indicate how the molecule replicated itself, and hence reveal “the secret of life”. "(klug-DNA.pdf)
  3. "The double helix model was well received by geneticists and the phage group when Watson described it at the Cold Spring Harbor meeting in
    the summer of 1953, but there were doubts about the correctness, and indeed relevance, of the model on the part of biochemists, who, on the
    whole, still thought of proteins as the genetic material." (Klug p.21)
  4. Dr. Brian Cox, Jeff Forshaw (2010) Why Does E=mc2? And Why Should We Care? ... "demonstrate how the structure of nature itself is contained within this equation."

Vorige blogs over DNA:

13 opmerkingen:

h pinxteren zei

" Er is geen diepere verklaring voor erfelijkheid dan DNA".

"Maar hoe DNA is ontstaan ten tijde van het ontstaan van het leven, is een zeer weerbarstige vraag, die nog niet beantwoord is."

Die twee uitspraken lijken me op gespannen voet te staan, gert:
Erfelijkheid lijkt mij typisch iets voor leven, in de natuur van E=mc2 en golfvergelijkingen en zo, komt het bijvoorbeeld zo niet voor. Met DNA is dus niet alles over erfelijkheid gezegd.Zou ik zeggen.

gert korthof zei

Harry, lastige vraag die je daar stelt! Een deel wordt veroorzaakt door een onduidelijkheid: 'diepere verklaring' bedoel ik mee: de verklaring van erfelijkheid in de hierarchische zin organisme, weefsel, cel, celcomponent, chromosoom, molecuul, atoom.
Mendel kon dat met Mendelse factoren, maar die waren abstract. Darwin had 'pangenen', even goed abstract, cytogenetici verklaarden erfelijkheid met chromosomen. Maar een chromosoom is niet een chemisch-moleculair begrip. Maar het molecualir niveau is het laagste niveau waarop je erfelijkheid kunt verklaren. En dat is DNA. Dat bedoel ik met dieper dan moleculair niveau kun en hoef je niet te gaan. Erfelijkheid wordt niet beter verklaard in termen van atomen.

Wat men ooit mag ontdekken over de evolutionaire voorgangers van DNA, of dat nu RNA, PNA, of TNA of nog iets anders is, dat heeft geen invloed op de verklaring van hoe erfelijkheid nu werkt. Dat zal nooit veranderen.

Jouw uitspraak 'Met DNA is dus niet alles over erfelijkheid gezegd' moet ik tegenspreken als je bedoelt dat DNA niet de ultieme definitieve verklaring van erfelijkheid zou zijn. Een verklaring van erfelijkheid in moleculaire termen kan definitief zijn, of voldoende verklaring, zonder dat je moet aangeven waarom het DNA is geworden en niet een van de alternatieven. Want dan heb je het over het evolutionaire verleden van DNA. Maar dat is een andere vraag.
Je vraag is eigenlijk epistemologisch: wanneer heb je een verschijnsel voldoende verklaard?

Vergelijk E=mc2. dat zegt is over hoe de fysiche werkelijkheid in elkaar zit, maar toch ook niet over hoe die ontstaan is?

Kun je met dit antwoord leven?

harry p zei

voorlopig wel, gert
ik moet er over nadenken hoe ik het beter kan formuleren,
want het is ook een 'weerbarstige' kwestie, al denk ik dat we er de komende tijd nog veel over zullen horen dankzij de synthetische biologie en zo: als je het kunt (na)maken, begrijp je (beter) hoe het werkt. En dan komen ook de betere vragen! Toch?

harry pinxteren zei

ok gert,
weerbarstig dus: want we hebben ook nog 'RNA editing'. Ik begrijp dat het hier echt niet om statistische fouten. 'editing' is ook geen (vergezochte) metafoor: "Peng et al. describe algorithms for accurately calling editing events, and apply them to identify ~22,600 events, mostly A G changes, in a human transcriptome".

ik vond twee recente artikelen:
Mingyao Li, Isabel X. Wang, Yun Li, Alan Bruzel, Allison L. Richards, Jonathan M. Toung, and Vivian G. Cheung
Widespread RNA and DNA Sequence Differences in the Human Transcriptome Published Online May 19 2011 Science DOI: 10.1126/science.1207018

Comprehensive analysis of RNA-Seq data reveals extensive RNA editing in a human transcriptome
Zhiyu Peng, Yanbing Cheng, Bertrand Chin-Ming Tan, Lin Kang, Zhijian Tian, Yuankun Zhu, Wenwei Zhang, Yu Liang, Xueda Hu, Xuemei Tan, Jing Guo, Zirui Dong, Yan Liang, Li Bao & Jun Wang
Published online: 12 February 2012 | doi:10.1038/nbt.2122

ik verbaas me er over dat je hier niet meer over hoort. heb ik wat gemist of gooit dit echt een paar (crick)dogma's overboord?

gert korthof zei

Zo! harry gooit er RNA editing tegen aan!
Cricks 'central dogma' zegt dat informatie eenrichtingsverkeer is: DNA -> RNA -> eiwit
met als enige modificatie:
DNA <-> RNA
vanwege reverse transcription.
Het grote 'verbod' is dus van eiwit via RNA naar DNA en blijft gehandhaafd.

"ik verbaas me er over dat je hier niet meer over hoort. ":
vergeet niet dat intron splicing ook een vorm van RNA editing is omdat introns uit mRNA geknipt worden (niet uit DNA).

http://en.wikipedia.org/wiki/RNA_editing
hieruit blijkt wel dat RNA-editing waanzinnig complex is. Het lijkt wel op de relatie schrijver en uitgever en drukker: als schrijver geef je je manuscript uiteindelijk aan de uitgever na veel overleg en wijzigingen en dan ligt je boek in de boekhandel en dan blijkt de uitgever cq drukker er op het laatste moment nog wijzigingen in aangebracht heeft waar jij helemaal niets aan kunt doen!

Wat is de relatie met de vraag of DNA perfect is?

Mogelijk dit: de bases in DNA hoeven niet te voldoen aan de eisen die RNA stelt aan bases omdat in RNA editing bases gewijzigd kunnen worden (C-U editing, A-I editing). Zo kunnen de bases in DNA optimaal gehouden worden voor hun functie in DNA zonder last te hebben van de eisen die RNA stelt. Maar dit is speculatief!!!
Het zet me wel weer op een nieuw spoor: de zgn perfectheid van DNA bekijken vanuit het perspectief van RNA-editing! Dank voor de tip!

harry p zei

gert,

je zette een duidelijke vraag boven deze blog.
en het antwoord lijkt me dus: nee, er is nog een geheim. Er is niet een, maar er zijn twee codes. je hebt de schrijver (bij wijze van spreke uiteaard!) en je hebt de drukker/uitgever. En die weet het dus beter. Tekst afgekeurd! je vraagt je af waar die uitgever die wijsheid vandaan haalt.
Trouwens die ' ~22,600 events' is dat eigenlijk veel, grijpt de uitgever vaak in?

Enfin, je had het over een 'weerbarstige kwestie'. Dat klopt dus aardig, zo blijkt al uit een voorbeeld!

dat van intron splicing was me even ontgaan, maar is genoteerd. Ik hou het nauwelijks bij!

;-)

gert korthof zei

Harry, "je zette een duidelijke vraag boven deze blog. en het antwoord lijkt me dus: nee, er is nog een geheim."
Ben ik niet met je eens. Het leven op planeet aarde is gebasserd op DNA en dat blijft zo ook al wordt er hier en daar wat ge-edit aan RNA. Ook het bestaan van introns en splicing doet daar niets aan af. RNA-editing: wordt gedaan door enzymen. Aha: enzymen worden ook door DNA gecodeerd. Dus indirect laat DNA het editen van RNA gewoon toe, of beter: is onder controle van DNA d.m.v. enzymen.

Ik ken de omvang en betekenis niet van RNA editing die je citeert in Peng et al. maar die staat vermoedelijk onder controle van natuurlijke selectie (kan ik niet bewijzen). Stel dat er ongecontroleerde RNA-editing zou plaatsvinden: dat zou een ramp zijn, op de lange duur zou zo'n organisme weggeselecteerd worden en uitsterven.
Ook is mij nog niet duidelijk in hoeverre je veranderde eiwitten krijgt door RNA-editing. Als er vooral buiten exons ge-edit wordt, dan heeft dat geen invloed op het geproducerde eiwit.

vergelijk: geen auteur zou bij een uitgever blijven die ongecontroleerd gaat editen in de tekst. Zo'n uitgever zou snel zonder auteurs komen te zitten...
Misschien wordt er vooral dor de uitgever ge-edit om te voldoen aan het Groene Boekje?

Heb je gezien dat: "RNA editing has been viewed as a key determinant in primate evolution and the development of higher brain functions": voer voor neuropsychologen.

Is DNA 'The Secret of Life'? JA, nog steeds in die zin dat alle essentiele levensprocessen uiteindelijk terug te voeren zijn op DNA (inclusief splicing en RNA-editing).

harry pinxteren zei

aha, dus de schrijver houdt de volledige controle op de uitgave. Ok. er is maar een geheim, een code.
Wel iets om in de gaten te houden inderdaad, dat RNA editing vooral invloed heeft op de ontwikkeling van hogere hersenfuncties. Maar zonder al te veel invloed op eiwitten.... lijkt me sterk.

Iets soortgelijks las ik overigens ooit over transposons. Jumping genes klinkt in dit verband leuker: we moeten het vooral hebben van springerig dna
Of dat van al dat spring DNA komt weet ik niet, maar in ieder geval doen wij het met wel 80% andere eiwitten dan chimps, las ik ooit:
Glazko G, Veeramachaneni V, Nei M, Makałowski W.
Eighty percent of proteins are different between humans and chimpanzees. Gene. 2005 Feb 14;346:215-9.
(lui van Penn state, maar niet vaak geciteerd!)

Ik heb trouwens marleen (roelofs) ook op dit spoort gezet, ze komt er op terug (meldde ze in ons wetenschapsgroepje op facebook)

Rob van der Vlugt zei

"Though Darwinian theory dramatically revolutionized biological understanding, its strictly biological focus has resulted in a widening conceptual gulf between the biological and physical sciences. In this paper we strive to extend and reformulate Darwinian theory in physicochemical terms so it can accommodate both animate and inanimate systems, thereby helping to bridge this scientific divide."

Aldus de openingszinnen van onderstaand artikel.


http://www.jsystchem.com/content/2/1/1

Voor de Big Bang mag er dan 'niets' zijn, voor het leven begon was er 'chemie'. En natuurlijke selectie ?


(Ook dit artikel is geplaatst op het alsmaar gezelliger wordende wetenschapsgroepje op facebook. Niks voor jou Gert?)

harry pinxteren zei

vier krachten en wat (elementaire) deeltjes, dat is het wel volgens de natuurkundigen. Natuurlijke selectie in (of: en) de zwaartekracht bijvoorbeeld.... 't Lijkt me sterk!
ik ben benieuwd.
ja het is heel gezellig op die facebook groep.

gert korthof zei

Rob van der Vlugt schreef "(Ook dit artikel is geplaatst op het alsmaar gezelliger wordende wetenschapsgroepje op facebook. Niks voor jou Gert?)"

Wat is er mis met een blog?

Overigens bedankt voor de link naar het artikel van Addy Pross.

Rob van der Vlugt zei

Gert,

Er is niets mis met een blog en al helemaal niet met jouw blog, daarover geen misverstand hoop ik.
Facebook heeft naast nadelen echter ook een aantal voordelen. Het plaatsen van reacties gaat zeer veel sneller, het openen van linkjes gaat een stuk gemakkelijker, het onderling contact tussen de groepsleden vindt soms zomaar real time plaats, alsof je met elkaar aan tafel zit zeg maar. Vooral dat laatste maakt het 'gezellig'.

Zo'n groep kan daarbij natuurlijk altijd knappe, slimme mensen als jij gebruiken. Vandaar mijn schoorvoetende uitnodiging.

gert korthof zei

Rob, mijn vraag Wat is er mis met een blog? komt misschien wat agressief over, maar dat was niet de bedoeling. Ik heb grote aarzeling bij het Gezichtenboek: het is een semi-gesloten systeem omdat het alleen toegankelijk is voor mensen met een account (het aanmaken van een account is ook niet zonder gevolgen), google indexeert de inhoud niet (voor zover ik weet) dus is onvindbaar, dit is erg vreemd; het zou voor mij extra tijd kosten om dagelijks nog een extra medium te bedienen, en ik heb al meer dan genoeg informatiebronnen (ben van plan om www.sciencedaily.com/ daar aan toe te voegen), is gezichtenboek wel zo geschikt? op mijn blog worden reacties toch onmiddellijk zichtbaar? een blog werkt toch goed voor informatie uitwisseling? dus ik weet het nog niet...