Największe odkrycia biologii XX wieku

Biologia XX wieku nieodłącznie kojarzy się z genetyką, rozwikłaniem tajemnicy łańcucha DNA i słusznie, gdyż to właśnie biologia molekularna królowała w ubiegłym stuleciu. Ubiegłe stulecie to czas, kiedy wręcz lawinowo publikowane były informacje, zmieniające oblicze nie tylko biologii, ale i np. medycyny. Postęp biologii to głównie rozwój genetyki molekularnej, inżynierii genetycznej, biotechnologii.

Przestrzenna budowa DNA

Fundamentem współczesnej genetyki stała się teoria W. Batesona, brytyjskiego badacza, który jako pierwszy zastosował termin „genetyka” w odniesieniu do badań nad dziedzicznością. Dalsze prace doprowadziły do zdefiniowania pojęcia genu oraz coraz intensywniejszych analiz mechanizmów przekazywania cech dziedzicznych. Przełomowego odkrycia dokonali Watson i Crick w 1953 roku, ustalając przestrzenną strukturę tego związku chemicznego, co natychmiast uzmysłowiło naukowcom kluczowe znaczenie DNA w procesie przekazywania informacji genetycznej.

W skład DNA wchodzą cztery zasady azotowe: adenina, guanina, cytozyna oraz tymina, które posiadają wyjątkową właściwość – adenina z jednej nici dwuniciowego DNA zawsze tworzy parę z tyminą z drugiej, podobnie jak guanina łączy się wyłącznie z cytozyną. Pojedyncze zasady ułożone jedna za drugą tworzą jedną nić DNA, a dwie idealnie komplementarne nici łączą się w strukturę podwójnej helisy. Podczas podziału komórki helisa ulega rozpleceniu i do każdej pojedynczej nici, na zasadzie specyficznego parowania odpowiednich zasad, dobudowywana jest nić komplementarna. W ten sposób materiał genetyczny zostaje zduplikowany z niezwykłą precyzją.

Dzięki tej relatywnie prostej, lecz niezwykle efektywnej zasadzie funkcjonuje cały ożywiony świat, a jej odkrycie zapewniło dwóm naukowcom naukową nieśmiertelność. Ustalenie struktury DNA spowodowało przełom nie tylko w medycynie – DNA to nasz indywidualny kod, niepowtarzalny znak rozpoznawczy, co z powodzeniem wykorzystuje kryminalistyka. Analiza DNA często staje się rozstrzygającym dowodem potwierdzającym winę lub uniewinniającym oskarżonego w trakcie procesu sądowego.

Ponieważ każdy człowiek posiada jedyne w swoim rodzaju, niepowtarzalne dziedzictwo genetyczne, śledczy pobierają z miejsca zdarzenia krew, włosy oraz inne materiały biologiczne i porównują je z próbkami DNA podejrzanego. Taka identyfikacja genetyczna pozwala na wykluczenie lub potwierdzenie obecności konkretnej osoby na miejscu przestępstwa z dokładnością przekraczającą 99,9%.

Inżynieria genetyczna

Dzięki odkryciom Watsona i Cricka oraz rozszyfrowaniu kodu genetycznego w roku 1966 przez zespół amerykańskich naukowców ludzie zrozumieli prawa rządzące dziedzicznością, a postęp biologii molekularnej stopniowo doprowadził do opracowania metod pozwalających na precyzyjną manipulację tym procesem. Tak narodziła się inżynieria genetyczna – dyscyplina umożliwiająca dalsze spektakularne odkrycia.

Szczególne przyspieszenie w rozwoju technik inżynierii genetycznej przypada na ostatnie dwie dekady XX wieku. Naukowcy nauczyli się izolować geny odpowiedzialne za powstawanie określonych cech i predyspozycji, co szybko przełożyło się między innymi na możliwości identyfikacji molekularnych źródeł chorób dziedzicznych oraz opracowanie metod tworzenia tak zwanej żywności transgenicznej.

Równolegle rozwijały się techniki sekwencjonowania DNA, które pozwalają na odczytanie dokładnej kolejności nukleotydów w genomie organizmu. W 1990 roku rozpoczęto ambitny Projekt Genomu Ludzkiego, którego celem było zmapowanie całego ludzkiego DNA. Projekt zakończono w 2003 roku, dostarczając naukowcom kompletnej mapy genetycznej człowieka zawierającej około 3 miliardy par zasad. To osiągnięcie otworzyło drogę do medycyny spersonalizowanej, w której terapie dostosowuje się do indywidualnego profilu genetycznego pacjenta.

In vitro

Pierwsze dziecko na świecie poczęte metodą in vitro urodziło się 35 lat temu, 28 lipca 1978 roku. Zapłodnienie pozaustrojowe – jak inaczej nazywane jest in vitro – stosuje się tylko wtedy, kiedy żadna inna metoda leczenia niepłodności nie przynosi rezultatów, stanowiąc dla niepłodnych par ostatnią szansę na posiadanie potomstwa. Metodę in vitro opracował 85-letni dziś Brytyjczyk Robert Geoffrey Edwards, który za opracowanie tej rewolucyjnej metody leczenia niepłodności otrzymał Nagrodę Nobla, jednak dopiero w 2010 roku.

Procedura in vitro polega na pobraniu komórek jajowych od kobiety i zapłodnieniu ich nasieniem męskim w warunkach laboratoryjnych. Powstałe zarodki hoduje się przez kilka dni, po czym najlepiej rozwinięte przenosi się do macicy. Współczynnik sukcesu metody zależy od wielu czynników, w tym wieku pacjentki, przyczyny niepłodności oraz jakości gamet. Obecnie technika ta jest stosowana na całym świecie i pomogła w narodzinach ponad 8 milionów dzieci.

Rozwój technik wspomaganego rozrodu nie ograniczył się tylko do klasycznej metody in vitro. Naukowcy opracowali ICSI (intracytoplazmatyczne wstrzyknięcie plemnika), technikę stosowaną w przypadku męskiej niepłodności, oraz metody zamrażania komórek rozrodczych i zarodków, co znacząco zwiększyło elastyczność i skuteczność leczenia.

Antybiotyki

Najważniejszym osiągnięciem medycyny XX wieku jest niewątpliwie wynalezienie antybiotyków, zapoczątkowane odkryciem penicyliny w 1928 roku przez Aleksandra Fleminga. Szkocki bakteriolog zauważył, że pleśń Penicillium notatum wytwarza substancję hamującą wzrost bakterii, co stało się punktem wyjścia do opracowania pierwszego antybiotyku dostępnego na szeroką skalę.

Zastosowanie antybiotyków wydłużyło czas życia ludzi i niemal całkowicie zlikwidowało śmiertelność z powodu najgroźniejszych niegdyś chorób zakaźnych. Dzięki antybiotykoterapii w krajach rozwiniętych bardzo rzadko zdarzają się śmiertelne przypadki tak groźnych i powszechnych niegdyś schorzeń jak gruźlica czy zapalenie płuc. Przed erą antybiotyków nawet drobne zakażenia mogły prowadzić do posocznicy i śmierci pacjenta, podczas gdy współcześnie większość infekcji bakteryjnych leczy się skutecznie w warunkach ambulatoryjnych.

Ukoronowaniem akcji masowych szczepień było chyba całkowite wykorzenienie ospy prawdziwej, ogłoszone przez Światową Organizację Zdrowia w 1979 roku. To pierwszy i jak dotąd jedyny przypadek całkowitego wyeliminowania choroby zakaźnej dzięki działaniom profilaktycznym na skalę globalną. Nikt nie ma wątpliwości, że zwycięstwem w walce z „dżumą XX wieku”, czyli AIDS, będzie wynalezienie skutecznej szczepionki przeciwko wirusowi HIV.

Dynamiczny rozwój mikrobiologii w XX wieku doprowadził również do odkrycia kolejnych klas antybiotyków o różnych mechanizmach działania: cefalosporyn, tetracyklin, makrolidów czy fluorochinolonów. Każda z tych grup atakuje bakterie w odmienny sposób, co pozwala na skuteczne zwalczanie różnorodnych patogenów. Niestety, niewłaściwe stosowanie antybiotyków doprowadziło do powstania szczepów opornych na leki, co stanowi obecnie jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny.

Dalsze kierunki rozwoju nauk biologicznych

Biologia w ciągu ubiegłego stulecia dokonała niemal przewrotu w postrzeganiu i wykorzystaniu nauki. Odkrycie DNA i dalsze badania nad kodem genetycznym pozwoliły poznać molekularne podstawy wielu chorób, a odkrycie i wprowadzenie na szeroką skalę antybiotyków umożliwiło ich skuteczne leczenie.

W ostatnich latach XX wieku rozwinęły się również techniki klonowania organizmów, czego symbolem stała się owca Dolly – pierwszy ssak sklonowany z komórki somatycznej dorosłego osobnika, urodzona w 1996 roku. Choć klonowanie reprodukcyjne ludzi pozostaje zakazane z przyczyn etycznych, techniki te znalazły zastosowanie w medycynie regeneracyjnej i hodowli zwierząt gospodarskich.

Dalszy rozwój nauk biologicznych odbywa się już w XXI wieku, a fundamenty dzisiejszych badań stanowią spektakularne odkrycia ubiegłego stulecia. Technologie takie jak CRISPR-Cas9 (edycja genomu), terapie genowe czy medycyna personalizowana opierają się bezpośrednio na dorobku naukowców XX wieku, którzy rozszyferowali podstawowe mechanizmy życia na poziomie molekularnym.