De fleste biologiske eksperimenter udføres ved hjælp af levende materiale - celler, væv, hele organismer eller ekstrakter af disse materialer. Det er ret få eksperimenter, der udføres med matematiske, fysiske eller biokemiske modeller over biologiske materialer. Lejlighedsvis giver et model-eksperiment imidlertid en indsigt og en forståelse, som det ville være svært at opnå på anden måde. Det var tilfældet med DNA-strukturen. Et epokegørende eksperiment blev udført af James Watson i 1952 ved hjælp af molekylmodeller klippet ud af pap. Eksperimentet er så simpelt, at det er muligt at efterlave det og demonstrere det for familie og venner. Før du laver eksperimentet, skal du kende de informationer Watson havde i 1952.

Hvad vidste man egentlig om DNAs struktur sidst i 1952?
I 1952 havde konventionelle laboratorieeksperimenter vist:

• - at DNA molekylet var bæreren af arven: O. T. Avery havde i et berømt eksperiment (1944) med mus og bakterier vist, at det var muligt at ændre på bakteriernes arvemasse ved at overføre DNA med dødelige egenskaber (lungebetændelse) fra en bakterie til en anden. Det bevirkede at løsningen af DNAs molekylære struktur fik top-priorietet indenfor biologien.
• - at DNA var sammensat af phosphat, pentosen (5 carbon sukkermolekyle) deoxyribose og 4 nucleotid baser: Adenin, Cytosin, Guanin og Thymin (forkortet A, C, G og T)
• - at den kemiske struktur af alle disse komponenter (phosphat, sukker og baser) var kendt
• - at sukkermolekylerne (S) og phosphat (P) var forbundet med hinanden, og at de dannede en slags "rygrad" i molekylet. Man vidste, at nucleotid baserne (B) stak ud til siderne, og at de var bundet til sukkermolekylerne via et af deres nitrogen-atomer. Forskerne kendte altså følgende sammenhæng:
  
  
  
• Rosalind Franklin havde via en lang række røntgenanalyser af DNA-krystaller påvist, at phosphat har negative ladninger ved de pH-værdier, der findes i celler. Da disse negative ladninger ville frastøde hinanden, hævdede hun i en hypotese over krystalstrukturen, at sukker-phosphat rygraden sad på "ydersiden" af molekylet.
• Hydrogenbindinger, havde man tidligere påvist, var meget vigtige i bestemmelsen af proteiners sekundære og tertiære struktur, og man havde en idé om (hypotese), at H-bindingerne måtte spille en lige så stor rolle i DNAs molekylære struktur.
• Rosalind Franklin havde optaget nogle fremragende røntgendiffraktion-billeder af DNA. Billederne havde en karakteristisk struktur, som var kendt fra en teori (udviklet af Francis Crick) om, at de gengivne strukturer skyldtes en spiral struktur (helix-struktur) - 2 eller flere strenge var spiraliseret rundt om hinanden i DNA.
• Erwin Chargaff  havde foretaget en række meget præcise målinger over base-sammensætningen i DNA hos mange forskellige arter af levende organismer. Han havde herved observeret et iøjnefaldende forhold: i alle tilfælde var mængden af A = T og mængden af C = G.

Næsten alt det, der behøves for at løse DNA-strukturen, er tilstede i denne liste, men selv om et antal førende forskere kendte til disse undersøgelsesresultater, var der ingen, der var fremkommet med en rimelig løsning på strukturen (adskillige "forkerte" løsninger var blevet foreslået og endda publicerede).

Et eksperiment med kartonmodeller
Sent i 1952 arbejdede adskillige laboratorier med at løse DNAs struktur.
Linus Pauling ved Cal Tech havde publiceret en forkert model med 3 DNA kæder snoet i en helix.
Rosalind Franklin og Maurice Wilkins lavede røntgen-diffraktioneksperimenter ved King's College i London.
Erwin Chargaff mente, at hemmeligheden i strukturen skulle søges i basesammensætningen af DNA, og han foretog mange meget tidskrævende kemiske analyser ved Columbia University.
Og endelig ved Cambridge University var Francis Crick og en ung pHd-studerende, James Watson, meget interesserede i DNAs molekylære struktur. De udgjorde et atypisk par, fordi de ikke lavede deres egne laboratorieeksperimenter. I stedet snakkede de med alle de andre deltagere og byggede kemiske modeller, ud fra hvad de opsnappede af detaljer. Efter en antal mislykkede modelforsøg, bestilte de hos univeristetets værksted et sæt metalmodeller af de 4 baser. Modellerne lod imidlertid vente på sig, så en eftermiddag mistede Watson tålmodigheden, og han besluttede at tegne basernes molekylære struktur på et stykke pap og at klippe dem ud. Det gjorde han, hvorefter han efter eget udsagn gik til middag og herefter i teateret. Næste morgen vendte han tilbage til sine modeller, og flyttede dem rundt parvis for at se, om han kunne få et mønster ud af det. Han var nemlig begyndt at spekulere over, om DNA mon kun bestod af to molekylære strenge og han ville efterprøve, om baserne eventuelt kunne passes sammen to og to. Det var umiddelbart tydeligt at interaktion mellem baserne ville involvere hydrogenbindinger. I løbet af få minutter blev DNAs molekylære struktur klarlagt, og Watson havde samtidig forklaringen på Chargaff's resultater (A = T and C = G) og til og med en god idé (hypotese) om, hvordan DNA gentager (replikerer) sig selv!

Modeleksperiment
For selv at efterprøve Watsons modeleksperiment skal du udskrive denne side og evt. klæbe strukturen for de 4 baser (se nedenfor) på et stykke karton og klippe hver struktur ud efter det ydre omrids.

Formålet med modeleksperimentet er, at du, som Watson, skal flytte modellerne rundt for at se, hvordan de bedst passer sammen. Du skal speciel være opmærksom på mulige hydrogenbindinger.

Hydrogenbindinger forekommer mellem 2 grupper af atomer:

• hydrogenatomer bundet til oxygen og nitrogen
• hydrogenacceptorer: oxygen og nitrogen atomer uden bundet hydrogen.

I tegningerne af A, C, G og T baserne nedenunder er hydrogenatomer, der er tilgængelig for dannelse af hydrogenbindinger, farvet røde, og hydrogenacceptorerne er farvet grønne, som vist i denne tabel:

	Carbonatomer (danner ikke gode H bindinger)
	Nitrogenatomer bundet til deoxyribose (kan ikke danne H bindinger)
	Nitrogenatomer allerede bundet til H (kan ikke danne H bindinger)
	Nitrogen- og Oxygenatomer til rådighed for H-bindinger
	H-atomer bundet til Carbon (danner ikke gode H-bindinger)
	H-atomer som kan danne H-bindinger

Her er de 4 DNA baser med den korrekte farvekode:

Du kan udskrive de farvekodede billeder, men det er måske bedre at udskrive de sort-hvide versioner og evt. selv farve dem. Det lærer du mest ved.
Klip dem ud langs med atomernes ydre grænse. Lav ikke bindingerne for tynde. Flyt dem derefter rundt to og to ad gangen, for at undersøge, hvordan de passer sammen. Målet er at parre røde hydrogenatomer med grønne hydrogenacceptorer for at lave så mange hydrogenbindinger som muligt.

Diskussion af DNA modellen
Når du med held har parret baserne så find deres struktur og identificér dem med bogstaverne A, C, G og T på bagsiden (brug en blyant, så du senere kan slette dem).
Diskutér dine resultater i klassen med din lærer og klassekammerater, og forsøg at besvare følgende spørgsmål:

1. Passede A med T og C med G?
2. Hvis det er tilfældet, har du sikkert bemærket, at C og G danner 3 hydrogenbindinger medens A og T kun danner 2 (den originale Watson & Crick model har kun 2 H-bindinger mellem C go G, men det blev senere vist, at der var 3.
3. Har du indset, hvorfor dit resultat forklarer Chargaff's resultater?
4. Du har måske undret dig over sammenhængen mellem C-atomer og H-bindinger. Carbon danner hydrogen-bindinger, men de er 5-10 gange svagere end dem med oxygen og nitrogen som acceptorer, og derfor ikke stærke nok til at bestemme DNAs helix.
5. Har A-T parret samme bredde som C-G parret? Denne faktor gjorde nemlig et stort indtryk på Watson. Røntgendiffraktion billederne antydede nemlig at DNAs helix havde en næsten konstant bredde.
6. Den korrekte match vil placere det sukker-bindende Nitrogen (gult) på ydersiden af molekylet. Eftersom sukkermolekylet er bundet til phospatgrupper, vil det ligeledes placere phosphat på ydersiden, hvor Franklin i sin hypotese mente de skulle være.
7. I DNA dobbelt helixen snor to kæder sig omkring hinanden holdt sammen af A-T og C-G bindinger, og de siges at være komplementære. Hvad betyder det, og hvordan forklarer det DNAs replikations metode?

Ovenstående er simplificeret en lille smule. Watson begyndte nemlig med ukorrekte modeller af 2 af baserne, G og T. Hydrogen-atomer kan hoppe fra oxygen-atomer til nitrogen-atomer i disse baser, hvorved der dannes 2 lidt forskellige former (tautomerer). For at nå frem til den rigtige DNA struktur, skal man nemlig have den korrekte basestruktur. Heldigt for Watson, var en kemiker i laboratoriet i stand til at korrigere hans fejltagelse og bringe ham på det rigtige spor (se kapitel 26 i Watson bog: The Double Helix, hvis du ønsker alle detaljerne).

Jeg håber, at du er imponeret af DNA molekylet, bl.a. fordi det er smukt, og fordi det forklarer så mange ting.

Watson fik 1/3 Nobelpris i 1962 (han delte nemlig prisen med Crick og Wilkins). DNA-modellen er kendt som Watson og Crick modellen, og vil blive beskrevet som sådan i alle biologibøger i al evighed. Personligt mener jeg, den skulle kaldes Franklin-Watson-Crick modellen. Rosalind Franklin's bidrag var essentielle for bestemmelse af strukturen, og hun skulle have haft mere andel i æren. Nogle mener, at hun blev behandlet unfair, af den mandligt dominerede biologiske videnskab, og da hun døde i 1958 kun 38 år gammel, blev hendes arbejde næsten glemt.
DNA-historien er spændende, og hvis du er interesseret i at lære mere, kan du benytte følgende film, bøger og artikler:

Der er lavet en glimrende spillefilm over emnet (haves på lager)

Horace Judson. The Eighth Day of Creation. NY: Simon & Schuster, 1980.

Anne Piper. Light on a dark lady. Trends in Biochemical Sciences 23: 151-154, 1998. (artikel om Rosalind Franklin)

Anne Sayre. Rosalind Franklin & DNA. NY: W.W. Norton, 1975.

James Watson. The Double Helix. NY: Atheneum, 1968. (Karton-model-eksperimentet, og hændelserne der førte frem til det, beskrives i kap. 25 og 26.).