”Vaikka tosiasiat ovat luonnostaan vähemmän tyydyttäviä kuin niistä tehdyt älylliset johtopäätökset, niiden merkitystä ei pitäisi koskaan kyseenalaistaa.” James D. Watson, 2002.
DNA:ssa on kaikki elämän geneettinen informaatio. Yksi valtavan pitkä DNA-molekyyli muodostaa organismin jokaisen kromosomin, ihmisellä niitä on 23. Elävä perusyksikkö on yksittäinen solu. Solu synnyttää monia uusia soluja solunjakautumaksi kutsutun prosessin sarjamuotoisten toistojen kautta. Ennen jokaista jakautumista jokaisesta solun muodostavasta molekyylistä on tehtävä uudet kopiot, mukaan lukien kaikkien DNA-molekyylien monistaminen. DNA:n monistuminen on nimitys tälle monistumisprosessille, jonka avulla organismin geneettinen informaatio – sen geenit – siirtyy solun jakautuessa syntyviin kahteen tytärsoluun. Vain hieman vähemmän keskeinen osa elämää on dynaamista DNA-akrobatiaa vaativa prosessi, jota kutsutaan homologiseksi DNA-rekombinaatioksi ja joka sekoittaa kromosomien geenejä uudelleen. DNA:n replikaatioon läheisesti liittyvissä reaktioissa rekombinaatiokoneisto myös korjaa vaurioita, joita solujen sisällä oleviin pitkiin ja hauraisiin DNA-molekyyleihin väistämättä syntyy (ks. Friedbergin artikkeli tässä numerossa, s. 436).
James Watsonin ja Francis Crickin ehdottama malli DNA:n kaksoiskierteestäx1 perustuu kahteen pariliitoksiseen DNA-juosteeseen, jotka täydentävät toisiaan nukleotidijärjestyksessään. Mallilla oli silmiinpistäviä vaikutuksia DNA:n replikaation ja DNA:n rekombinaation prosesseihin. Ennen vuotta 1953 ei ollut mitään järkevää keinoa edes spekuloida näiden kahden keskeisen geneettisen prosessin molekyylimekanismeja. Mutta ehdotus, jonka mukaan DNA:n yhden säikeen jokainen nukleotidi oli tiukasti emäspariutunut vastakkaisen säikeen komplementaarisen nukleotidin kanssa – joko adeniini (A) ja tymiini (T) tai guaniini (G) ja sytosiini (C) – tarkoitti, että mikä tahansa osa nukleotidisekvenssistä saattoi toimia suorana mallina toisen säikeen vastaavalle osalle. Tämän seurauksena mitä tahansa sekvenssin osaa voidaan käyttää joko luomaan tai tunnistamaan kumppanin nukleotidisekvenssi – nämä kaksi toimintoa ovat keskeisiä DNA:n replikaatiolle ja DNA:n rekombinaatiolle.
Tässä katsauksessa käsittelen sitä, miten DNA:n rakenteen löytäminen puoli vuosisataa sitten avasi uusia väyliä DNA:n replikaatio- ja rekombinaatioprosessien ymmärtämiselle. Korostan myös sitä, miten ymmärryksemme monimutkaisista biologisista molekyyleistä ja niiden vuorovaikutussuhteista on vuosien mittaan lisääntynyt, mikä on aiheuttanut syvällisiä muutoksia tavassa, jolla biologit tarkastelevat elämän kemiaa.
DNA:n rakenteelliset piirteet
Tutkimus, joka seurasi välittömästi kaksoiskierteen löytämistä, keskittyi ensisijaisesti molekyylin rakenteellisten ominaisuuksien ymmärtämiseen. DNA määrittelee RNA:ta geenin transkriptioprosessin kautta, ja RNA-molekyylit puolestaan määrittelevät kaikki solun proteiinit. Tämä on geneettisen tiedonsiirron ”keskeinen dogma ”2. Geneettisen informaation lukeminen – olipa kyse sitten DNA:n replikaatiosta tai geenien transkriptiosta – edellyttää pääsyä kaksoiskierteen sisälle kätkeytyneiden emästen järjestykseen. DNA-säikeiden erottaminen toisistaan on näin ollen ratkaisevan tärkeää DNA:n toiminnalle. Watson-Crick-malli ajoi tutkijat etsimään olosuhteita, joissa komplementaarisia emäspareja yhdistävät vetysidokset rikkoutuisivat, jotta DNA:n kaksoiskierteen kaksi säiettä irtoaisivat toisistaan.
Fyysiset kemistit havaitsivat, että DNA-liuoksen kuumentaminen lähes kiehuvaan lämpötilaan (100 °C) tai sen altistaminen äärimmäisille pH-arvoille aiheuttaisi säikeiden irtoamisen – muutosta kutsutaan DNA:n denaturoinniksi. DNA-jakson niin sanottu sulamislämpötila (tai Tm) riippuu sen nukleotidikoostumuksesta: DNA:lla, jossa on enemmän G-C-emäspareja, on korkeampi Tm, koska Watsonin ja Crickin mukaan G-C-emäspari pysyy kasassa kolmella vetysidoksella, kun taas A-T-emäspareilla niitä on vain kaksi. Fysiologisissa suolapitoisuuksissa nisäkkäiden DNA:n Tm on lähes 90 °C, mikä johtuu DNA:n emäsparien erityisestä sekoituksesta (47 % G-C ja 53 % A-T)3.
Aluksi näytti mahdottomalta, että DNA-juoste voisi muodostua uudelleen kaksoiskierteeksi, kun se on kerran erotettu komplementaarisesta kumppanistaan. Monimutkaisessa DNA-molekyylien sekoituksessa tällainen saavutus edellyttäisi, että miljoonien sekvenssien joukosta löytyisi yksi täsmäävä sekvenssi satunnaisten törmäysten aikana muiden sekvenssien kanssa, ja sitten kietoutuisi nopeasti uudelleen uuden kumppanisäikeen kanssa. Tämän odottamattoman ilmiön4 , jota kutsutaan ”DNA-renaturaatioksi”, dramaattinen löytyminen valotti sitä, miten sekvenssit voivat järjestyä uudelleen DNA:n rekombinaation avulla. Se tarjosi myös ratkaisevan tärkeän keinon, jolla DNA:ta voitiin manipuloida laboratoriossa. Komplementaaristen nukleotidisekvenssien yhteenliittäminen, hybridisaatioksi kutsuttu prosessi, muodostaa perustan useille DNA-tekniikoille, jotka auttoivat käynnistämään biotekniikkateollisuuden ja nykyaikaisen genomiikan. Näihin kuuluvat geenien kloonaus, genomin sekvensointi ja DNA:n kopiointi polymeraasiketjureaktiolla (ks. Hoodin ja Galasin artikkeli sivulla 444).
DNA-molekyylien sijoittelu kromosomeissa aiheutti tiedemiehille toisenkin mysteerin: pitkä, ohut molekyyli olisi erittäin herkkä leikkauksen aiheuttamalle rikkoutumiselle, ja oli vaikea kuvitella, että nisäkkään kromosomi voisi sisältää vain yhden DNA-molekyylin. Tämä edellyttäisi, että tyypillinen kromosomi muodostuisi yli 100 miljoonan nukleotidiparin pituisesta jatkuvasta DNA-kierteestä – massiivisesta molekyylistä, joka painaa yli 100 miljardia daltonia ja jonka päiden välinen etäisyys toisistaan on yli 3 cm. Miten tällainen jättimäinen molekyyli voitaisiin suojata vahingossa tapahtuvalta pirstoutumiselta solussa, jonka halkaisija on vain mikrometriä, ja samalla pitää se järjestyksessä, jotta geenien lukeminen ja muut geneettiset toiminnot olisivat tehokkaita?
Tällaisia jättimäisiä molekyylejä ei ollut aiemmin nähty biologian ulkopuolella. Mutta 1960-luvun alussa autoradiografiset tutkimukset paljastivat, että Escherichia coli -bakteerin kromosomi oli itse asiassa yksi ainoa DNA-molekyyli, jonka pituus oli yli 3 miljoonaa nukleotidiparia5. Ja kun – yli kymmenen vuotta myöhemmin – innovatiiviset fysikaaliset tekniikat osoittivat, että nisäkkäiden jokaisen kromosomin perustana on yksi ainoa valtava DNA-molekyyli6, tutkijat ottivat tuloksen vastaan pienellä hämmästyksellä.
DNA:n replikaatiohaarukka
Miten kromosomin muodostava valtavan pitkä kaksijuosteinen DNA-molekyyli kopioidaan täsmällisesti siten, että se tuottaa toisen identtisen kromosomin joka kerta, kun solu jakautuu? Watsonin ja Crickin vuonna 1953 ehdottama DNA:n replikaation malli (viite 7) sai yleisen hyväksynnän kahden 1950-luvun lopulla tehdyn löydön jälkeen. Toinen oli elegantti koe, jossa käytettiin tiheysleimattuja bakteeri-DNA:ita ja joka vahvisti ennustetun templaatti-anti-templaatti-järjestelmän8. Toinen oli DNA-polymeraasi-nimisen entsyymin löytäminen, joka käyttää yhtä DNA-juostetta mallina syntetisoidakseen uuden komplementaarisen juosteen9. Neljä deoksiribonukleosiditrifosfaattinukleotidia – dATP, dTTP, dGTP ja dCTP – ovat uuden tytär-DNA-juosteen esiasteet, joista kukin nukleotidi valitaan parittelemalla sen komplementaarisen nukleotidin (T, A, C tai G) kanssa vanhempien mallijuosteessa. DNA-polymeraasin osoitettiin käyttävän näitä trifosfaatteja lisätäkseen nukleotideja yksi kerrallaan uuden syntetisoidun DNA-molekyylin 3′-päähän ja katalysoidakseen siten DNA-ketjun kasvua kemiallisessa 5′-3′-suunnassa.
Vaikka lyhyiden DNA-sekvenssijaksojen synteesi yksisäikeisestä templaatista voitiin demonstroida koeputkessa, oli arvoitus, miten valtava, kierretty kaksisäikeinen DNA-molekyyli monistuu. Solun sisällä DNA:n replikaation havaittiin tapahtuvan Y:n muotoisessa rakenteessa, jota kutsutaan ”replikaatiohaarukaksi” ja joka liikkuu tasaisesti vanhempien DNA-kierukkaa pitkin ja kehrää kaksi tytär-DNA-kierukkaa perässään (Y:n kaksi haaraa)5. Kuten Watson ja Crick ennustivat, kaksoiskierteen kaksi säiettä kulkevat vastakkaisiin kemiallisiin suuntiin. Näin ollen DNA-polymeraasi voi replikaatiohaarukan liikkuessa liikkua yhtäjaksoisesti vain Y-kierteen toista haaraa pitkin – sitä haaraa, jolla uusi tytärjuoste pidentyy kemiallisessa 5′-3′-suunnassa. Toisella haaralla uusi tytärjuoste olisi tuotettava päinvastaisessa, 3′:stä 5′:een suuntautuvassa kemiallisessa suunnassa (kuva 1a). Vaikka Watsonin ja Crickin keskeiset ennusteet siis vahvistuivat heidän merkkipaaluaan seuranneen ensimmäisen tutkimuskymmenen vuoden lopussa, DNA:n replikaatioprosessin yksityiskohdat jäivät arvoitukseksi.
a, Nukleosiditrifosfaatit toimivat DNA-polymeraasille substraattina ylempänä olevan säikeen kuvassa esitettävän mekanismin mukaisesti. Kukin nukleosiditrifosfaatti koostuu kolmesta fosfaatista (tässä esitetty keltaisilla palloilla), deoksiriboosisokerista (beige suorakulmio) ja yhdestä neljästä emäksestä (eriväriset lieriöt). Kolme fosfaattia on liitetty toisiinsa suurienergisillä sidoksilla, ja näiden sidosten katkeaminen polymerisaatioreaktion aikana vapauttaa vapaan energian, jota tarvitaan kunkin nukleotidin liittämiseen kasvavaan DNA-ketjuun. Alemmassa säikeessä esitettyä reaktiota, joka aiheuttaisi DNA-ketjun kasvun 3′:n ja 5′:n väliseen kemialliseen suuntaan, ei tapahdu luonnossa. b, DNA-polymeraasit katalysoivat ketjun kasvua vain 5′:n ja 3′:n väliseen kemialliseen suuntaan, mutta molemmat uudet tytärsäikeet kasvavat haarukassa, joten 1960-luvun dilemma oli se, miten tämän kaavion alin säie syntetisoitiin. Replikaatiohaarukan epäsymmetrinen luonne tunnustettiin 1970-luvun alkuun mennessä: ”johtava säie” kasvaa jatkuvasti, kun taas ”jäljessä oleva säie” syntetisoidaan DNA-polymeraasin toimesta kuvassa esitetyn takapistomekanismin avulla. Näin ollen molemmat säikeet syntyvät DNA-synteesissä 5′-3′-suunnassa. (Uudelleenpiirretty lähteestä ref. 27, luvalla.)
Replikaation rekonstruointi
Mysteeriä ratkottiin seuraavien kahden vuosikymmenen aikana, jolloin DNA:n replikaatioprosessin keskeiset toimijat muodostavat proteiinit tunnistettiin. Tutkijat käyttivät erilaisia kokeellisia lähestymistapoja tunnistaakseen yhä suuremman joukon geenituotteita, joiden uskottiin olevan kriittisiä DNA:n replikaation kannalta. Esimerkiksi tunnistettiin mutanttiorganismeja, joissa DNA:n replikaatio oli viallinen, ja geneettisiä tekniikoita voitiin sitten käyttää tiettyjen replikaatioprosessissa tarvittavien geeniryhmien tunnistamiseen10,11,12. Näiden geenien määrittelemien proteiinien avulla luotiin ”soluttomia” järjestelmiä, joissa prosessi luotiin uudelleen in vitro käyttäen puhdistettuja komponentteja. Aluksi proteiineja testattiin ”osittaisessa replikaatioreaktiossa”, jossa oli läsnä vain osa täydelliseen replikaatioprosessiin tarvittavasta proteiinikoneistosta ja jossa DNA-malli oli yksijuosteisena13. Uusia tunnistettuja proteiineja lisättiin yksi kerrallaan tai yhdistelmänä, jotta voitiin testata niiden vaikutuksia DNA-polymeraasin katalyyttiseen aktiivisuuteen. Edistyminen replikaation ymmärtämisessä riippui sittemmin monimutkaisempien in vitro -järjestelmien luomisesta, joihin lisäämällä suurempi joukko puhdistettuja proteiineja voitiin lopulta replikoida kaksijuosteista DNA:ta14,15.
Tänään lähes kaikkia solun sisäisiä prosesseja – DNA:n replikaatiosta ja rekombinaatiosta kalvovesikkelien kuljettamiseen – tutkitaan puhdistetuista komponenteista rekonstruoidussa in vitro -järjestelmässä. Vaikka tällaisten järjestelmien luominen on työlästä, ne mahdollistavat sekä kunkin komponentin pitoisuuden että yksityiskohtaisen rakenteen tarkan hallinnan. Lisäksi sivureaktioiden aiheuttama ”kohina” luonnollisessa järjestelmässä – koska useimmat solun molekyylit osallistuvat useampaan kuin yhteen reaktioon – vältetään poistamalla proteiinit, jotka katalysoivat näitä muita reaktioita. Pohjimmiltaan pieni osa solusta voidaan luoda uudelleen rajattuna kemiallisten reaktioiden joukkona, jolloin sitä voidaan tutkia tarkasti kaikkien fysiikan ja kemian välineiden avulla.
Vuoteen 1980 mennessä moniproteiiniset in vitro -systeemit olivat mahdollistaneet replikaatiokoneiston yksityiskohtaisen luonnehdinnan ja ratkaisseet ongelman, joka koski sitä, miten DNA syntetisoituu replikaatiohaarukan molemmilla puolilla (kuva 1b). DNA-polymeraasimolekyyli syntetisoi yhden tytär-DNA-juosteen yhtäjaksoisesti ”johtavaa juostetta” pitkin, kun taas toinen DNA-polymeraasimolekyyli ”jäljessä olevalla juosteella” syntetisoi pitkän sarjan fragmentteja (Okazaki-fragmentteja)16 , jotka DNA-ligaasi yhdistää toisiinsa yhtenäisen DNA-juosteen tuottamiseksi. Kuten arvata saattaa, johtavan ja jäljessä olevan DNA-juosteen synteesiin tarvittavissa proteiineissa on eroja (ks. laatikko 1). Huomionarvoista on, että näissä keinotekoisissa järjestelmissä muodostettujen replikaatiohaarukoiden pystyttiin osoittamaan liikkuvan yhtä nopeasti kuin solujen sisällä olevat haarukat (500-1000 nukleotidia sekunnissa), ja DNA-malli kopioitui uskomattoman tarkasti15.
Kun yhä useampien proteiinien havaittiin toimivan replikaatiohaarukassa, eri organismien replikaatiokoneistoja pystyttiin vertailemaan keskenään. Virusten, bakteerien ja eukaryoottien replikaatiokoneiston tutkimukset osoittivat, että yhteinen joukko proteiinien toimintoja ohjaa replikaatiohaarukoita kussakin organismissa (laatikko 1). Kukin järjestelmä koostuu seuraavista osista: johtavan ja jäljessä olevan säikeen DNA-polymeraasimolekyyleistä; DNA-primaasista, joka tuottaa RNA-alkuaineet, jotka aloittavat kunkin Okazaki-fragmentin; yhden säikeen DNA:ta sitovista proteiineista, jotka päällystävät templaatti-DNA:n ja pitävät sen paikoillaan; DNA-eliksaasista, joka purkaa kaksoiskierteen; ja muista polymeraasien lisäproteiineista, jotka sitovat polymeraasit toisiinsa ja DNA-mallikseen. Kun edetään yksinkertaisesta viruksesta monimutkaisempiin organismeihin, kuten hiivoihin tai nisäkkäisiin, kunkin proteiinityypin muodostavien alayksiköiden määrä yleensä kasvaa. Esimerkiksi replikaatiolaitteen ytimen muodostavien polypeptidi-alayksiköiden kokonaismäärä kasvaa bakteriofagien T7:n neljästä ja T4:n seitsemästä 13:een E. coli -bakteerissa. Hiivassa Saccharomyces cerevisiae ja nisäkkäissä se kasvaa vähintään 27:ään. Näin ollen replikaatiokoneisto lisäsi uusia proteiinien alayksiköitä, kun organismit, joilla oli suuremmat genomit, kehittyivät, ilman että perusmekanismit muuttuivat15,18,19,20.
Samaan aikaan kun kuvaamani työ DNA:n replikaation parissa eteni, muut tutkijaryhmät loivat in vitro -järjestelmiä, joissa homologista DNA:n rekombinaatiota voitiin rekonstruoida. Keskeinen toimija näissä reaktioissa oli RecA-proteiinityyppi17 , joka on saanut nimensä sen rekombinaatiovirheellisen bakteerimutaation mukaan, joka johti sen löytämiseen (laatikko 2).
Proteiinikoneet
Kuten kaikki muutkin solun biokemian osa-alueet, DNA:n replikaatiolaitteisto on kehittynyt miljardien vuosien aikana ”kokeilemalla ja erehtymällä” eli satunnaisen vaihtelun ja sitä seuranneen luonnonvalinnan avulla. Ajan myötä replikaatiohaarukassa toimivien proteiinien joukkoon on voitu lisätä yksi proteiini toisensa jälkeen, oletettavasti siksi, että uusi proteiini on lisännyt koko replikaatioprosessin nopeutta, hallintaa tai tarkkuutta. Lisäksi kunkin proteiinin rakennetta hienosäädettiin mutaatioilla, jotka muuttivat sen aminohapposekvenssiä sen tehokkuuden lisäämiseksi. Tämän epätavallisen suunnitteluprosessin lopputuloksena ovat replikaatiojärjestelmät, joita havaitsemme nykyään eri organismeissa. DNA:n replikaatiomekanismin voisi siis olettaa olevan hyvin riippuvainen menneisyyden satunnaisista tapahtumista. Mutta valikoikoiko evoluutio sen, mikä toimii, ilman tarvetta eleganssille?
Ensimmäiset 30 vuotta Watsonin ja Crickin löydön jälkeen useimmat tutkijat näyttivät olevan sitä mieltä, että soluprosessit voivat olla huolimattomia. Tätä näkemystä rohkaisi tieto molekyylitason liikkeiden valtavasta nopeudesta (esimerkiksi tiedettiin, että tyypillinen proteiini törmää toiseen molekyyliin, joka on läsnä 1 mM:n pitoisuudessa, noin 106 kertaa sekunnissa). Aluksi ajateltiin, että molekyylien nopeat liikenopeudet mahdollistaisivat DNA:n replikaation kaltaisen prosessin ilman, että siihen osallistuvat proteiinit olisivat järjestäytyneet kolmiulotteiseen tilaan.
Täysin päinvastoin, molekyylibiologit tunnustavat nyt, että evoluutio on valinnut erittäin järjestäytyneitä järjestelmiä. Niinpä esimerkiksi replikaatiokoneiston osia ei ainoastaan pidetä yhdessä täsmällisissä linjoissa niiden keskinäisten vuorovaikutusten optimoimiseksi, vaan proteiinien konformaatioiden energiavetoisia muutoksia käytetään koordinoitujen liikkeiden tuottamiseen. Näin varmistetaan, että DNA:n replikaation kaltaisen monimutkaisen prosessin jokainen peräkkäinen vaihe on tiiviisti koordinoitu seuraavan kanssa. Tuloksena on kokoonpano, jota voidaan pitää ”proteiinikoneena”. Esimerkiksi replikaatiohaarukan jäljessä olevalla puolella oleva DNA-polymeraasimolekyyli pysyy sidottuna johtavan säikeen DNA-polymeraasimolekyyliin varmistaakseen, että samaa jäljessä olevan säikeen polymeraasia käytetään yhä uudelleen ja uudelleen Okazaki-fragmenttien tehokkaaseen synteesiin18,20,21 (laatikko 1). DNA:n replikaatio ei suinkaan ole ainutlaatuinen. Uskomme nykyään, että lähes kaikki biologiset prosessit katalysoi kymmenen tai useamman alueellisesti sijoitetun, vuorovaikutuksessa olevan proteiinin joukko, joka liikkuu hyvin järjestäytyneesti koneen kaltaisessa kokoonpanossa22.
Proteiinikoneet muodostuvat yleensä tiettyihin paikkoihin vastauksena tiettyihin signaaleihin, ja tämä pätee erityisesti DNA:han vaikuttaviin proteiinikoneisiin. DNA:n kaksoiskierteen replikaatiota, korjausta ja rekombinaatiota pidetään usein erillisinä, irrallisina prosesseina. Solun sisällä sama DNA-molekyyli voi kuitenkin käydä läpi minkä tahansa näistä reaktioista. Lisäksi esiintyy näiden kolmen reaktiotyypin erityisiä yhdistelmiä. Esimerkiksi DNA:n rekombinaatio liitetään usein suoraan joko DNA:n replikaatioon tai DNA:n korjaamiseen23. Jotta kromosomin eheys säilyisi asianmukaisesti, kutakin tiettyä reaktiota on ohjattava ja valvottava huolellisesti. Tämä edellyttää, että proteiinisarjat kootaan DNA:lle ja aktivoidaan vain siellä ja silloin, kun niitä tarvitaan. Vaikka näiden valintojen tekemisestä on vielä paljon opittavaa, näyttää siltä, että erityyppiset DNA-rakenteet tunnistetaan nimenomaisesti erikoistuneilla proteiineilla, jotka toimivat ”kokoonpanotekijöinä”. Kukin kokoonpanotekijä toimii sitten ytimenä tietyn proteiinikoneen muodostavan proteiinijoukon yhteistoiminnalliselle kokoonpanolle, jota tarvitaan kyseiseen aikaan ja paikkaan solussa sopivan reaktion katalysoimiseksi.
Näkymä tulevaisuuteen
Sekä oppikirjoissa että tavallisessa tieteellisessä kirjallisuudessa on tullut tavaksi selittää molekulaarisia mekanismeja yksinkertaisten kaksiulotteisten piirrosten tai ”karikatyyrien” avulla. Tällaiset piirrokset ovat käyttökelpoisia yhdistettäessä suuria tietomääriä yksinkertaiseen kaavioon, kuten tässä katsauksessa havainnollistetaan. Mutta kokonainen biologien sukupolvi on saattanut tuudittautua siihen uskoon, että biologisen mekanismin ydin on ymmärretty ja koko ongelma siten ratkaistu, kun tutkija on ratkaissut tarpeeksi palapelistä voidakseen piirtää tällaisen mielekkään piirroksen.
Viime vuosina on käynyt täysin selväksi, että tiedemiehiltä vaaditaan vielä paljon enemmän, ennen kuin voimme väittää ymmärtävämme DNA:n replikaation tai DNA:n rekombinaation kaltaisen prosessin täysin. Viimeaikaiset genomin sekvensointihankkeet, proteiinien vuorovaikutusten kartoitusyritykset ja solujen signalointia koskevat tutkimukset ovat paljastaneet paljon enemmän komponentteja ja molekulaarisia vuorovaikutussuhteita kuin aiemmin ymmärrettiin. Erään tuoreen analyysin mukaan esimerkiksi S. cerevisiae, yksisoluinen ”yksinkertainen” eukaryoottinen organismi (jolla on noin 6 000 geeniä verrattuna ihmisen 30 000 geeniin), käyttää 88 geeniä DNA:n replikaatioon ja 49 geeniä DNA:n rekombinaatioon24.
Keskityttäessä DNA:n replikaatioon mekanismin täydellinen ymmärtäminen edellyttää paluuta sinne, mistä DNA:n tutkimukset alkoivat, eli kemian ja fysiikan aloille. Tarvitaan kaikkien asiaankuuluvien proteiinien ja nukleiinihappojen yksityiskohtaisia atomirakenteita, ja rakennebiologit ovat edistyneet huimasti yhä tehokkaampien röntgenkristallografia- ja ydinmagneettiresonanssitekniikoiden ansiosta. Kyky rekonstruoida biologisia prosesseja koeputkessa molekyyleillä, joiden tarkat rakenteet tunnetaan, ei kuitenkaan riitä. Replikaatioprosessi on sekä hyvin nopea että uskomattoman tarkka, sillä lopullinen virhetaso on noin yksi nukleotidi miljardista. Sen ymmärtäminen, miten monien eri proteiinien ja muiden molekyylien väliset reaktiot koordinoidaan tämän tuloksen aikaansaamiseksi, edellyttää, että kokeelliset tutkijat määrittävät kaikki eri komponenttien välisten vuorovaikutusten nopeusvakiot, mitä molekyylibiologit tekevät nykyään harvoin. Sen jälkeen he voivat käyttää geenitekniikoita muuttaakseen valikoituja sarjoja näistä parametreista ja seurata huolellisesti näiden muutosten vaikutusta replikaatioprosessiin.
Tutkijat voivat väittää todella ymmärtävänsä DNA:n replikaation kaltaista monimutkaista prosessia vasta sitten, kun he pystyvät täsmällisesti ennustamaan kunkin eri nopeusvakion muutosten vaikutuksen kokonaisreaktioon. Koska kokeellisten manipulaatioiden kirjo on valtava, tarvitsemme tehokkaampia tapoja päättää, mitkä tällaiset muutokset todennäköisimmin lisäävät ymmärrystämme. Siksi on kehitettävä uusia lähestymistapoja nopeasti kehittyvältä laskennallisen biologian alalta – sekä kokeiden ohjaamiseksi että tulosten tulkitsemiseksi.
DNA:n Watson-Crick-malli katalysoi dramaattisia edistysaskeleita molekyylibiologian ymmärtämisessä. Samalla sen valtava menestys synnytti harhaanjohtavan näkemyksen siitä, että monet muut biologian monimutkaiset osa-alueet voitaisiin samalla tavoin pelkistää eleganttiin yksinkertaisuuteen oivaltavan teoreettisen analyysin ja mallien rakentamisen avulla. Tämä näkemys on kumottu seuraavien vuosikymmenten aikana, koska useimmat biologiset osajärjestelmät ovat osoittautuneet aivan liian monimutkaisiksi, jotta niiden yksityiskohtia voitaisiin ennustaa. Nyt tiedämme, että mikään ei voi korvata tiukkoja kokeellisia analyysejä. Perinteinen molekyyli- ja solubiologia ei kuitenkaan yksin pysty ratkaisemaan DNA:n replikaation kaltaista ongelmaa. Tarvitaan uudenlaisia lähestymistapoja, joihin liittyy paitsi uusia laskennallisia välineitä myös kemian ja fysiikan laajempi integrointi20,25. Tästä syystä meidän on kiireesti harkittava uudelleen koulutusta, jota annamme biologian tutkijoiden seuraavalle sukupolvelle22,26.