Desoxyribonukleinsäure, oder DNA, ist das genetische Material, das für die Weitergabe von Merkmalen von Generation zu Generation in allen Organismen und den meisten Viren zuständig ist. Die DNA besteht aus zwei Strängen von Nukleotiden, die sich umeinander winden und eine Doppelhelix bilden. Die Struktur der DNA wurde über fast ein Jahrhundert hinweg schrittweise entdeckt und stellt eine der berühmtesten und fesselndsten Geschichten in der Geschichte der Wissenschaft dar.
Jeder DNA-Strang besteht aus Untereinheiten, die man Nukleotide nennt. Diese Nukleotide bestehen aus dem Zucker Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und einer von vier möglichen stickstoffhaltigen Nukleinbasen. Dazu gehören: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Adenin und Guanin gehören zu einer größeren Klasse von Chemikalien, den Purinen, die alle zwei Ringstrukturen sind. Cytosin und Thymin gehören zu einer Gruppe von Strukturen mit einem Ring, den Pyrimidinen.
Benachbarte Nukleotide im gleichen Strang sind kovalent über Phosphodiesterbindungen verknüpft. Die beiden Nukleotidstränge werden durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten, wobei die Adenine des einen Strangs mit den Thyminen an der gleichen Position in dem anderen Strang sich paaren. Auch die Cytosine des einen Strangs paaren sich mit den Guaninen in der gleichen Position des anderen Strangs. Diese Wasserstoffbrückenbindungen werden durch die antiparallele Anordnung der beiden DNA-Stränge ermöglicht. Dabei sind die 5- und 3-Enden der Stränge in entgegengesetzter Richtung ausgerichtet. Ohne diese Anordnung wären die Nukleotide in der falschen Position und könnten keine Wasserstoffbrücken zwischen den Strängen bilden.
Die beiden Stränge des DNA-Moleküls sind fest zu einer federartigen Struktur, einer sogenannten Doppelhelix, aufgewickelt. Die Doppelhelix ist jedoch nicht perfekt symmetrisch. Stattdessen gibt es regelmäßig auftretende Furchen in der Struktur. Die große Furche entsteht dort, wo die Zucker-Phosphat-Rückgrate relativ weit auseinander liegen. Dieser Raum ermöglicht den Zugang zu DNA-bindenden Proteinen, wie zum Beispiel Transkriptionsfaktoren. Die kleine Rille hingegen entsteht dort, wo die Zucker-Phosphat-Rückgrate dicht beieinander liegen. Über die kleine Rille binden relativ wenige Proteine an die DNA.
Die Geschichte der Entdeckung der DNA-Struktur begann 1869, als der Schweizer Wissenschaftler Friedrich Miescher eine Substanz entdeckte, die er Nuklein nannte. Bei der Extraktion von Eiweiß aus weißen Blutkörperchen fand Miescher eine unerwartete Substanz, die einen relativ hohen Phosphorgehalt aufwies. Er wusste nicht, was es war, vermutete aber, dass es biologisch von Bedeutung sein könnte. Miescher hatte Recht. Es dauerte aber Jahrzehnte, bis die wissenschaftliche Fachwelt seine Erkenntnisse voll zu schätzen lernte.
Die nächste wichtige Entdeckung machte der russische Biochemiker Phoebus Levene. Im Jahre 1919 schlug Levene vor, dass Nukleinsäure aus Ketten von Molekülen zusammengesetzt war, die er Polynukleotide nannte. Levenes Vorschlag stammte aus seiner Forschung an Hefen, wobei er feststellte, dass einzelne Nukleotide aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker und einer stickstoffhaltigen Base zusammengesetzt waren. Obwohl das Polynukleotidmodell von Levene in vielerlei Hinsicht korrekt war, war noch unklar, wie die Nukleinbasen im DNA-Molekül angeordnet sind.
Der österreichische Biochemiker Erwin Chargaff erweiterte die Arbeiten von Levene. Ende der 1940er Jahre machte Chargaff eine wichtige Entdeckung: Die Menge an Adenin in der DNA ist immer ungefähr gleich der Menge an Thymin. Gleichzeitig ist die Menge an Guanin immer ungefähr gleich der Menge an Cytosin. Dieses Muster wurde als Chargaffs Regel bekannt und war ein wesentlicher Beweis, der die endgültige Aufklärung der DNA-Struktur ermöglichte.
In den frühen 1950er Jahren lieferten sich der amerikanische Biologe James Watson und der englische Physiker Francis Crick ein Rennen mit ihrem Hauptkonkurrenten, dem Amerikaner Linus Pauling. Alle Wissenschaftler wollten zuerst die dreidimensionale Struktur der DNA aufdecken. Aufbauend auf den Arbeiten von Chargaff nutzten sie Kenntnisse der Physik, Mathematik und Chemie, um physikalische Modelle der DNA zu konstruieren. Sie hatten jedoch keinen Erfolg, bis sie ein entscheidendes Indiz für den Aufbau erhielten: ein Röntgenbild, ein „Foto“ der DNA, das ihre doppelhelikale Struktur genau zeigte. Dieses Foto war unveröffentlichtes Datenmaterial der Physikerin Rosalind Franklin und wurde Watson und Crick ohne Franklins Wissen zur Verfügung gestellt. Watson und Crick veröffentlichten 1953 ihre Beschreibung der DNA-Struktur und gewannen zusammen mit Maurice Wilkins (ein Mitarbeiter von Franklins) 1962 einen Nobelpreis für Physiologie und Medizin für diese Entdeckung. Leider starb Franklin 1958 und könnte daher nicht für den Nobelpreis nominiert werden.
