Nauki biologiczno-medyczne w XX wieku

Nauki biologiczno-medyczne w XX wieku

Wprowadzenie

Wiek XX to okres wielkich przemian w bardzo wielu dziedzinach, również i w naszym rozumieniu świata żywego. Warto wspomnieć, że na początku wieku liczba wszystkich uczonych na świecie była zbliżona do liczby obecnie zatrudnionych badaczy ze stopniem doktora w Polsce! Bezprecedensowy w historii ludzkości wzrost aktywności naukowej jest niewątpliwie konsekwencją wielkiego postępu cywilizacyjnego, wynikającego z rozwoju badań i technologii. Jeżeli weźmiemy pod uwagę liczbę osób zatrudnionych, czy środki finansowe przeznaczane na badania, okazuje się, że na przełomie XX i XXI w. dominują nauki biologiczno-medyczne. Jest to rezultat wielkich oczekiwań społecznych wobec tych właśnie dyscyplin oraz wynik ich dotychczasowych osiągnięć.

Jakie zatem są najważniejsze osiągnięcia nauk o życiu w XX w.? Pewną odpowiedź może dać analiza osiągnięć badawczych laureatów Nagrody Nobla. Trzeba dodać, że nagrody za wielkie osiągnięcia w tym zakresie były przyznawane w dwóch kategoriach: medycyny i fizjologii oraz chemii. Można wyróżnić kilka dominujących kierunków badań XX w. Są to: biochemia, endokrynologia, biologia rozwoju, onkologia, mikrobiologia, immunologia, genetyka (szczególnie w ostatnim okresie g. molekularna), neurobiologia, biologia komórki. W poniższym przeglądzie skupiono się na kilku wybranych osiągnięciach.

Wyjaśnienie molekularnego podłoża gospodarowania energią przez komórkę

Biochemiczne procesy bioeneregetyczne, polegające na uzyskiwaniu, przetwarzaniu i gromadzeniu energii przez komórkę stanowią jedną z podstaw jej funkcjonowania. Większość procesów życiowych wymaga dostarczania energii. Wiadomo, że prawidłowe funkcjonowanie żywego organizmu polega na ciągłym tworzeniu czegoś nowego, o bardziej złożonej budowie i większym uporządkowaniu. U zwierząt energia zostaje dostarczona w postaci pożywienia i zawartych w nim substancji energetycznych. Po wstępnym rozkładzie w trakcie trawienia, różne cząsteczki chemiczne docierają do krwioobiegu, trafiają do poszczególnych komórek i w ich wnętrzu są dalej przetwarzane. Podstawowym nośnikiem energii dla komórek jest cukier prosty — glukoza. W wyniku licznych badań naukowych prowadzonych w XX w. wyjaśniono, w jaki sposób komórka czerpie energię zmagazynowaną w wiązaniach chemicznych glukozy. W pierwszym etapie glukoza jest rozkładana na cząsteczki prostsze (w procesie glikolizy, czyli oddychania beztlenowego, zachodzącego w cytoplazmie komórki), które w dalszym etapie ulegają przetworzeniu w mitochondriach w trakcie komórkowego oddychania tlenowego. Proces ten ma charakter kontrolowany, a stopniowo uwalniana energia zostaje zmagazynowana w wiązaniach chemicznych substancji zwanej ATP (adenozynotrisfosforan). Cząsteczka ta jest zdolna do przekazywania energii w bardzo wielu procesach życiowych komórki.

Jednym z największych osiągnięć naukowych mijającego stulecia było zaproponowanie przez P. Mitchella tzw. teorii chemiosmotycznej. Tłumaczy ona, w jaki sposób w mitochondriach powstaje ATP — w procesie utleniania uwalniane są elektrony o wysokiej energii, transportowane następnie wzdłuż umieszczonych w błonie mitochondrium przenośników, tworzących tzw. łańcuch transportu elektronów. Jednocześnie zostaje uwolniona energia, która umożliwia pompowanie w poprzek tej błony protonów pochodzących z wszechobecnej wody. Powstała różnica stężeń protonów po obu stronach błony mitochondrialnej jest sposobem zmagazynowania energii. Protony mogą przepłynąć przez błonę (podobnie jak woda uwolniona ze zbiornika retencyjnego) przechodząc przez kompleks białkowy zwany syntetazą ATP, która przeprowadza reakcje syntezy cząsteczek tego wysokoenergetycznego związku.

Poznanie budowy białek

Kolejnym wielkim osiągnięciem XX w. było wyjaśnienie budowy białek. Białka stanowią podstawowy materiał budulcowy komórek i ich wytworów (np. takich jak włosy, paznokcie, itd.), działają jako enzymy budujące i rozkładające cząsteczki oraz pełnią rolę nośników informacji (niektóre hormony). Białka są cząsteczkami złożonymi, składają się z podjednostek — aminokwasów. W XX w. opracowano metody poznawania kolejności aminokwasów w łańcuchu białkowym (F. Sanger) oraz określono budowę przestrzenną licznych białek (M.F. Perutz, J.C. Kendrew, Ch.B. Anfinsen, S. Moore, W.H. Stein, A. Klug, J. Deisenhofer, R. Huber i H. Michel). To ostatnie zagadnienie jest niesłychanie ważne, albowiem znajomość budowy przestrzennej pozwala na poznanie funkcji poszczególnych części białka. Umożliwia też opracowywanie nowych leków, skierowanych w określone miejsce w cząsteczce białka. Ze względu na swoją uporządkowaną strukturę, białka można otrzymywać w postaci krystalicznej. Stało się to podstawą zastosowania dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego do określania przestrzennej budowy białek.

Zrozumienie molekularnych mechanizmów zjawisk przechowywania, przekazywania z pokolenia na pokolenie oraz rozchodzenia się w komórce informacji zawartej w genach

Najbardziej spektakularnym osiągnięciem nauki XX w. jest poznanie, na początku lat 50., struktury DNA przez J.D. Watsona i F.H. Cricka, przy udziale M. Wilkinsa, a następnie odkrycie kodu genetycznego (H.G. Khorana i M.W. Nirenberg). Umożliwiło to zrozumienie zasad przepływu informacji genetycznej z pokolenia na pokolenie oraz podczas życia komórek. DNA czyli kwas deoksyrybonukleinowy zawiera (w postaci sekwencji cegiełek budulcowych — nukleotydów) informację o budowie białek. W DNA występują cztery rodzaje nukleotydów (A, T, C i G), które mogą występować tylko w parach A–T i C–G. DNA zbudowane jest z dwóch splecionych ze sobą łańcuchów, które mają charakter komplementarny (budowa jednego łańcucha określa budowę drugiego).

Trzy nukleotydy kodują jeden aminokwas w białku. To przyporządkowanie stanowi istotę kodu genetycznego. Informacja zapisana w DNA (sekwencja czyli kolejność nukleotydów), zostaje najpierw przepisana (w procesie zwanym transkrypcją) na RNA (w postaci sekwencji nukleotydów). Następnie na matrycy RNA sekwencja nukleotydów zostaje przetłumaczona na kolejność aminokwasów w syntetyzowanym białku w procesie zwanym translacją. Po rozpleceniu, każdy z łańcuchów DNA stanowi matrycę gwarantującą wierne powielenie oryginału. Umożliwia to podwajanie materiału genetycznego, co z kolei zapewnia podział komórek, przekazywanie cech potomstwu itp.

Opracowanie technik laboratoryjnych, pozwalających na obróbkę DNA (w tym i tworzenie nowych genów) poza organizmem i na genetyczną modyfikację żywych organizmów

Odkrycie budowy DNA i kodu genetycznego otworzyło drogę do opracowania technik modyfikacji genów i genetycznej modyfikacji żywych organizmów. Okazało się możliwe wprowadzanie obcych genów do komórek bakterii. Namnażanie tak zmodyfikowanych mikroorganizmów, czyli ich klonowanie stało się codzienną czynnością w laboratoriach biologii molekularnej. Dzięki odkryciu enzymów restrykcyjnych i innych enzymów zdolnych do obróbki DNA, można obecnie ciąć i składać dowolne kawałki DNA, nawet pochodzące od organizmów różnych gatunków. Istnieją enzymy restrykcyjne, które rozpoznają określone krótkie (np. 6-nukleotydowe) sekwencje DNA i są zdolne do ich przecinania. Inne enzymy są zdolne do „sklejania” takich fragmentów DNA. W praktyce może wyglądać to tak, że fragment genu człowieka wycięty jednym enzymem można połączyć z podobnie otrzymanym fragmentem genu drożdży. Powstanie w ten sposób gen-chimera obu wyjściowych genów. Wprowadzenie takiego genu do bakterii i klonowanie takiej komórki pozwala uzyskać bardzo wiele kopii tego, nieistniejącego w naturalnych warunkach, genu.

Wielkim osiągnięciem ostatnich 20. lat jest również opracowanie technik laboratoryjnych, które umożliwiają wprowadzanie tak zmienionych genów do organizmów ssaków przez wstrzyknięcie DNA do zapłodnionych komórek jajowych. Jest to niesłychanie pożyteczna metoda badawcza stosowana w modelowaniu zaburzeń genetycznych i opracowywaniu nowych leków.

Kolejnym przewrotem w naukach biologiczno-medycznych było opracowanie w końcu lat 80. przez M. Capecchi'ego metody zamieniania genów u myszy. Umożliwia ona zastąpienie prawidłowego genu jego zmutowaną wersją, a przez to tworzenie modeli chorób genetycznych człowieka i szukanie nowych metod terapii.

Klonowanie genów w bakteriach stało się codziennością w laboratoriach biologii molekularnej lat 80., jednak obecnie coraz częściej rezygnuje się z zastosowania mikroorganizmów jako nośnika obcego DNA i wehikułu do jego namnażania. K. Mullis opracował rewolucyjną metodę powielania DNA w probówce — PCR (reakcja łańcuchowa polimerazy).

Odkrycie procesów przekazywania informacji z zewnątrz do wnętrza komórki

Rewolucyjnych odkryć dokonano również w dziedzinie wewnątrzkomórkowego przekazu informacji. Zewnątrzkomórkowa regulacja była badana od dawna lecz dużo mniej wiemy o sposobach kontrolowania procesów życiowych we wnętrzu komórki. Zaburzenia tej regulacji są podstawą licznych chorób. Stosunkowo od niedawna istnieją możliwości metodycznej analizy tych mechanizmów regulacyjnych. Wiemy już, że są one bardzo skomplikowane. Wiele zewnątrzkomórkowych substancji sygnałowych, takich jak hormony, czy też przekaźniki nerwowe działa na komórki nie wnikając do ich wnętrza. Jest to możliwe dzięki występowaniu w błonie komórkowej białek zwanych receptorami. Wystają one, jak anteny na zewnątrz, a pewne ich części tkwią w środku komórki. Przyczepienie się do zewnątrzkomórkowej części receptora powoduje jego zmiany po stronie wewnątrzkomórkowej. Tak zmieniona cząsteczka receptora ma odmienioną zdolność do łączenia się z różnymi białkami, które znajdują się tuż przy błonie. W rezultacie rozpoczyna się kaskada procesów biochemicznych. Szczególną rolę odgrywają w niej tzw. białka G, które działają na kolejne białka np. na enzym zwany cyklazą adenylanową. Ta z kolei wytwarza cząsteczki cAMP (cykliczny adenozynomonofosforan). Cykliczny AMP może pobudzić aktywność enzymu zwanego kinazą białkową A. Kinazy dołączają do białek grupę fosforanową pochodzącą z ATP. Odkrycie roli cAMP w przekazywaniu do wnętrza komórki informacji o obecności hormonu (na zewnątrz) zostało uhonorowane Nagrodą Nobla w 1971 (W.E. Sutherland). Kolejne nagrody za badania nad komórkowym przekazywaniem informacji przyznano w 1992 (E. Fischer i E. Krebs) oraz w 1994 (A. Gilman i M. Rodbell). Obecnie obserwuje się w tej dziedzinie szczególnie wielki postęp.

Wyjaśnienie istoty zjawisk odpornościowych

Swoje wielkie chwile w XX w. miała nauka o odporności organizmu — immunologia. Komórkami odpowiedzialnym za zwalczanie „obcych” (np. bakterii lub wirusów) są przede wszystkim komórki krwi — limfocyty B, T i monocyty oraz rezydujące w różnych narządach makrofagi. Obce komórki mają zwykle na swojej powierzchni białka (antygeny), które nie są wytwarzane przez zaatakowany organizm. W toku rozwoju organizm wytwarza limfocyty, które produkują białka obronne — przeciwciała w przypadku limfocytów B i cząsteczki receptora dla antygenu wytwarzane przez limfocyty T. Na dużą grupę każdego z tych rodzajów komórek składa się potomstwo (czyli klony) pojedynczych limfocytów. Jeden klon produkuje tylko jeden rodzaj przeciwciała lub receptora dla antygenu. Powstanie odpowiednich genów dla tych obronnych białek odbywa się dzięki przetasowaniu kodujących je fragmentów genów (to wyjątkowy przykład „niestabilności” materiału genetycznego, który jest w zasadzie identyczny w innych komórkach). Olbrzyma liczba klonów limfocytów powoduje, że wachlarz produkowanych przez organizm białek obronnych jest również olbrzymi. Przetasowanie (rekombinacja) fragmentów genów ma charakter przypadkowy, w związku z tym powstają również kombinacje kodujące białka skierowane przeciwko własnemu organizmowi. Jednakże limfocyty zawierające takie szkodliwe przeciwciała lub receptory dla antygenu są eliminowane w odpowiednich narządach układu odpornościowego. W drugiej połowie XX w. przyznano liczne Nagrody Nobla (m.in. F.M. Burnet, P.B. Medawar, G.M. Edelman, R.R. Porter, S. Tonegawa, B. Benacerraf, J. Dausset, G.D. Snell, N.K. Jerne, P. Doherty i R. Zinkernagel) za prace immunologiczne wieńczące dorobek tej dziedziny: zrozumienie mechanizmów odpowiedzi odpornościowej limfocytów B, które wytwarzają przeciwciała atakujące obce substancje (antygeny); wyjaśnienie roli limfocytów T, które bezpośrednio niszczą antygeny, uczestnicząc w odpowiedzi komórkowej; udział innych komórek w tych procesach (np. makrofagów, zdolnych do prezentacji antygenów limfocytom). Jednocześnie udało się wyjaśnić mechanizm rozpoznawania i tolerowania przez organizm jego własnych białek.

Odkrycie podstaw działania komórek nerwowych i ich zmian w procesach plastycznych mózgu

Ostatnia w XX w. Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii została przyznana badaczom układu nerwowego — A. Carlssonowi, P. Greengardowi i E.R. Kandelowi. Pierwszy z wymienionych badaczy położył wielkie zasługi w identyfikacji dopaminy (substancji wydzielanej przez jedne komórki nerwowe po to, aby kontrolować działanie innych) jako przekaźnika nerwowego. P. Greengard pokazał, jakie procesy przekaźnictwa wewnątrz komórki nerwowej uruchamia dopamina. W szczególności zaś skupił się na badaniu kinaz białkowych i białek, na które działają w komórkach nerwowych. Z kolei E. Kandel zaproponował model pozwalający wytłumaczyć powstawanie, dzięki temu przekaźnictwu, pamięci. Pamięć i uczenie się to przykłady tzw. zmian plastycznych w układzie nerwowym. W sumie nagroda ta honoruje zarówno wiedzę podstawową (dobrze już utrwaloną — A. Carlson dokonał wielu odkryć ponad 40 lat temu) o komunikacji pomiędzy neuronami, także badania na pograniczu biologii molekularnej komórki i neurobiologii (przekaźnictwo informacji wewnątrz komórki nerwowej — P. Greengard), jak i dokonania w dziedzinie najmniej znanej, dotyczącej procesów myślowych (E.R. Kandel).

Wymienione wyżej dokonania opierają się o dorobek innych uczonych, którzy stworzyli podwaliny naszej wiedzy o funckcjonowaniu komórek układu nerwowego. Szczególne znaczenie miało odkrycie przez J.C. Ecclesa, A.L. Hodgkina i A.F. Huxleya podstawowych mechanizmów działania kanałów jonowych — białek zawartych w błonie komórkowej posiadających otwór, przez który mogą płynąć obarczone ładunkiem elektrycznym jony (np. K⁺, Na⁺, Ca²⁺). Kanały te decydują o możliwości przenoszenia przez błonę komórki nerwowej impulsu elektrycznego. W układzie nerwowym informacja płynie wzdłuż komórek nerwowych właśnie w postaci tego impulsu (mówimy, że aktywna komórka nerwowa to właśnie taka, po której przesuwa się ów impuls). Impuls nie może jednak być przekazany bezpośrednio sąsiedniej komórce. Komunikacja odbywa się za pośrednictwem przekaźników nerwowych. Jednym z nich jest wspomniana wcześniej dopamina. Przekaźniki wytwarzane przez jedne komórki nerwowe, mogą pobudzać lub hamować inne komórki. Na każdą komórkę nerwową działa zwykle równocześnie kilka różnych przekaźników o niejednokrotnie sprzecznym działaniu. Ostateczne zachowanie się komórki jest zatem wypadkową różnych wpływów. Dzięki temu sieć komórek nerwowych może przeprowadzać niesłychanie dużo nadzwyczaj złożonych procesów analizy informacji.

W latach 60. i 70. zbudowano podstawy naszej obecnej wiedzy na temat zdolności komórek nerwowych do modyfikacji wzorców aktywności. W szczególności D.H. Hubel i T.N. Wiesel określili zasady tworzenia się połączeń właściwych pomiędzy komórkami nerwowymi w rozwijającej się wzrokowej korze mózgowej. Okazało się, że pozbawienie dopływu właściwych, naturalnych bodźców w pewnym okresie rozwoju (nazwanym krytycznym) uniemożliwia powstanie odpowiednich połączeń. Na przykład zasłonięcie kotu jednego oka w okresie pomiędzy czwartym a siódmym tygodniem życia spowoduje stałe upośledzenie zmysłu wzroku. Wcześniejsze, bądź późniejsze, ograniczanie dostępu do bodźców wzrokowych nie wywiera już tak dramatycznego efektu. Rozwój kory mózgowej po urodzeniu, podobnie jak procesy uczenia się i pamięci, są przykładami zmian plastycznych. Osiągnięcia D.H. Hubela i T.N. Wiesela stworzyły podstawę do dalszych badań w tym zakresie.

Podsumowanie

Podsumowując warto podkreślić, że szczególnie charakterystyczne dla XX w. było wzajemne przenikanie się biologii i medycyny. Medycyna stawiała wielkie wyzwania, a problemy próbowali rozwiązywać nie tylko lekarze, ale nade wszystko biologowie, chemicy, fizycy oraz badacze innych specjalności. Co ciekawe, wszystkie te dziedziny legły u podstaw nowej dyscypliny naukowej, którą określa się mianem biologii molekularnej komórki, zajmującej się molekularnymi mechanizmami funkcjonowania komórek, a w szczególności mechanizmami przekazywania informacji pomiędzy nimi i wewnątrz nich. Zwraca też uwagę stosunkowo niewielka liczba badań wyróżnionych Nagrodą Nobla za wyjaśnienie istoty określonych chorób, sposobu działania leków czy strategii terapeutycznych. Można zatem uznać, że największy triumf w XX w. święciły badania podstawowe zajmujące się budową i działaniem organizmów, zwłaszcza na poziomie molekularnym.

Klamrą spinającą XX w. są wielkie osiągnięcia w dziedzinie genetyki — na początku wieku — ponowne odkrycie praw Mendla, a u jego końca — poznanie ludzkiego genomu, czyli określenie sekwencji nukleotydów całego materiału genetycznego człowieka. Znajomość ta pozwoli na dokonanie rewolucji w zrozumieniu genezy chorób, ich diagnostyki i leczenia. Warto również podkreślić, że badania prowadzone w ostatnich latach XX w. tworzą fundament poznania największych tajemnic istoty człowieczeństwa, czyli zrozumienia biologicznego podłoża umysłu.

Leszek Kaczmarek