از DNA تا سلول‌های بنیادی؛ ۶ کشف‌ مهم حوزه زیست‌شناسی که جایزه نوبل نگرفتند

برخی از مهم‌ترین کشف‌های علمی مانند نقش ژنتیکی دی‌ان‌ای و ساختار حافظه به‌دلیل مرگ دانشمندان یا تردیدهای زمانه هرگز جایزه نوبل دریافت نکردند.

جایزه نوبل همیشه به همه کشف‌های بزرگ علمی نرسیده است. بعضی پژوهش‌ها زمانی انجام شدند که اهمیت واقعی آن‌ها هنوز برای جامعه علمی روشن نبود، برخی دانشمندان پیش از رسیدن نوبتشان درگذشتند و گاهی هم محدودیت‌های خود جایزه، مانند سقف سه نفر برای هر نوبل، کار را پیچیده کرد.

در تاریخ زیست‌شناسی نمونه‌های مهمی وجود دارد که امروز تقریباً کسی در اهمیت آن‌ها تردید ندارد، اما پژوهشگران اصلی‌شان هرگز نوبل نگرفتند. از کشف اینکه DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است تا پایه‌های زیستی حافظه و پروژه ژنوم انسان، در این مقاله با استناد به نشریه‌ی ساینس شش نمونه مهم را مرور می‌کنیم.

وقتی از کشف ساختار DNA صحبت می‌شود، معمولاً نام جیمز واتسون و فرانسیس کریک به ذهن می‌آید. آن‌ها همراه موریس ویلکینز در سال ۱۹۶۲ برای روشن‌کردن ساختار مارپیچ دوگانه DNA جایزه نوبل گرفتند.

اما پیش از آنکه دانشمندان شکل DNA را بشناسند، پرسشی اساسی‌تر وجود داشت: اصلاً کدام ماده درون سلول اطلاعات وراثتی را حمل می‌کند؟ امروز پاسخ بدیهی به نظر می‌رسد: DNA. اما در دهه‌های ابتدایی قرن بیستم بسیاری از دانشمندان چنین تصوری نداشتند.

کروموزوم‌ها از DNA، مقدار کمی RNA و پروتئین‌های فراوان تشکیل شده‌اند. در آن زمان پروتئین‌ها به‌دلیل ساختار متنوع و پیچیده‌شان گزینه منطقی‌تری برای ذخیره اطلاعات ژنتیکی به نظر می‌رسیدند. DNA در مقایسه با آن‌ها مولکولی بیش‌ازحد ساده تصور می‌شد.

آزوالد ایوری، میکروبیولوژیست آمریکایی، هنگام مطالعه باکتری عامل ذات‌الریه به سرنخی مهم رسید. پژوهش‌های پیشین نشان داده بودند که نوعی ماده می‌تواند ویژگی‌های یک باکتری بیماری‌زا را به باکتری دیگری منتقل کند. دانشمندان این ماده ناشناخته را «عامل تغییردهنده» می‌نامیدند.

ایوری همراه کالین مک‌لئود و مکلین مک‌کارتی تلاش کرد بفهمد این عامل دقیقاً چیست. آن‌ها عصاره باکتری‌ها را به چند بخش تقسیم کردند و در هر آزمایش یکی از اجزای اصلی، یعنی DNA، RNA یا پروتئین را از بین بردند. سپس بررسی کردند آیا باکتری‌ها همچنان می‌توانند ویژگی‌های جدید را دریافت کنند یا خیر.

نتیجه روشن بود: وقتی DNA از بین می‌رفت، انتقال ویژگی‌ها نیز متوقف می‌شد. این آزمایش در سال ۱۹۴۴ یکی از نخستین شواهد محکم را ارائه کرد که DNA، نه پروتئین، حامل اطلاعات ژنتیکی است.

باوجود اهمیت کشف، جامعه علمی بلافاصله آن را نپذیرفت. حتی خود ایوری نیز احتمال می‌داد پروتئین‌ها نقشی در وراثت داشته باشند. او چندین بار برای نوبل نامزد شد، اما هرگز جایزه را نگرفت. شخصیت گوشه‌گیرش هم شاید بی‌تأثیر نبوده باشد. ایوری از حضور در برخی مراسم‌های علمی مهم خودداری می‌کرد و این احتمال مطرح شده که کمیته نوبل از این رفتار خوشش نمی‌آمد.

تا سال ۱۹۵۳، زمانی که واتسون و کریک ساختار DNA را معرفی کردند، پژوهش‌های دیگر یافته ایوری را تأیید کرده بودند. او دو سال بعد درگذشت و دیگر امکان دریافت نوبل را نداشت.

امروزه تقریباً بدیهی به نظر می‌رسد که حافظه به فعالیت مغز وابسته است، اما در میانه قرن بیستم روان‌شناسی هنوز تا حد زیادی بدون توجه مستقیم به ساختارهای مغزی مطالعه می‌شد.

برندا میلنر یکی از افرادی بود که این وضعیت را تغییر داد. مهم‌ترین پژوهش‌های او روی بیماری انجام شد که سال‌ها فقط با حروف اختصاری H.M. شناخته می‌شد. نام واقعی او هنری مولایسن بود.

مولایسن به صرع شدید مبتلا بود. پزشکان برای کاهش تشنج‌های او طی جراحی بخشی از هیپوکامپ مغزش را برداشتند. هیپوکامپ ساختاری در عمق مغز است که امروز می‌دانیم در شکل‌گیری برخی انواع حافظه نقش مهمی دارد. جراحی تعداد تشنج‌ها را کاهش داد، اما پیامد عجیبی ظاهر شد: مولایسن تقریباً دیگر نمی‌توانست خاطرات تازه از رویدادهای زندگی‌اش ایجاد کند.

میلنر آزمایش‌های دقیقی روی او انجام داد و متوجه نکته‌ای شگفت‌انگیز شد. مولایسن می‌توانست طی چند روز در انجام یک تمرین حرکتی بهتر شود، اما هیچ خاطره‌ای از انجام تمرین در روزهای قبل نداشت. یعنی مغز او چیزی را «یاد گرفته بود»، بدون اینکه خودش به یاد بیاورد آن را تمرین کرده است. این یافته نشان داد حافظه پدیده‌ای واحد نیست.

حافظه رویدادها و تجربه‌ها، مانند به‌یادآوردن اتفاقی که دیروز افتاده است، به سازوکار متفاوتی از «حافظه رویه‌ای» وابسته است. حافظه رویه‌ای همان نوع حافظه‌ای است که برای یادگیری مهارت‌هایی مانند دوچرخه‌سواری، نواختن ساز یا انجام یک حرکت فیزیکی استفاده می‌کنیم.

پژوهش‌های میلنر نشان داد هیپوکامپ برای برخی انواع حافظه ضروری است، اما همه انواع یادگیری به آن وابسته نیستند. او بعدها به یکی از چهره‌های اصلی عصب‌روان‌شناسی تبدیل شد و در توسعه روش‌های مطالعه ارتباط میان ساختارهای مغز و رفتار انسان نقش داشت.

میلنر جوایز علمی مهمی، ازجمله جایزه کاولی علوم اعصاب، دریافت کرد اما هرگز نوبل نگرفت. جالب اینکه جان اوکیف، یکی از دانشمندانی که همراه او جایزه کاولی را دریافت کرده بود، کمی بعد برای کشف نقش هیپوکامپ در سیستم موقعیت‌یابی مغز برنده نوبل شد.

امروز سلول‌های بنیادی یکی از مفاهیم شناخته‌شده زیست‌شناسی هستند، اما در دهه ۱۹۵۰ وجود آن‌ها هنوز به‌طور مستقیم اثبات نشده بود.

سلول بنیادی به زبان ساده سلولی است که دو توانایی مهم دارد: می‌تواند خودش را تکثیر کند و در شرایط مناسب به انواع دیگری از سلول تبدیل شود.

جیمز تیل و ارنست مک‌کالوچ برای نخستین بار شواهد تجربی محکمی برای وجود چنین سلول‌هایی ارائه کردند. آن‌ها روی مغز استخوان موش کار می‌کردند. مغز استخوان محل تولید بسیاری از سلول‌های خونی است.

پژوهش‌های مربوط به آثار بمباران اتمی ژاپن نشان داده بودند تابش می‌تواند DNA را بشکند. تیل و مک‌کالوچ از همین ویژگی برای «علامت‌گذاری» سلول‌ها استفاده کردند. آن‌ها سلول‌های مغز استخوان را در معرض تابش قرار دادند تا هر سلول الگوی مشخصی از شکست‌های DNA پیدا کند. سپس این سلول‌ها را به موش‌هایی منتقل کردند که مغز استخوان خودشان بر اثر تابش از بین رفته بود. پس از مدتی، در طحال موش‌ها توده‌هایی از سلول‌های خونی ظاهر شد.

نکته مهم این بود که تمام سلول‌های هر توده الگوی شکست DNA یکسانی داشتند. این موضوع نشان می‌داد همه آن‌ها از یک سلول اولیه به وجود آمده‌اند.

وقتی پژوهشگران سلول‌های حاصل را به موش دیگری منتقل کردند، دوباره توده‌های جدید تشکیل شد. این آزمایش نشان داد یک سلول منفرد می‌تواند هم خودش را بازتولید کند و هم سلول‌های خونی مختلفی بسازد؛ همان ویژگی‌ که امروز برای تعریف سلول بنیادی استفاده می‌کنیم.

نتایج در سال ۱۹۶۳ منتشر شد. بااین‌حال، تیل و مک‌کالوچ هیچ‌گاه نوبل نگرفتند. یکی از مشکلات احتمالی این بود که افراد دیگری نیز نقش اساسی در توسعه حوزه سلول‌های بنیادی داشتند و قانون نوبل اجازه نمی‌دهد یک جایزه میان بیش از سه نفر تقسیم شود.

دهه‌ها بعد، جان گوردون و شینیا یاماناکا در سال ۲۰۱۲ برای پژوهش‌های دیگری درباره سلول‌های بنیادی برنده نوبل شدند. بااین‌حال، بسیاری از پژوهشگران هنوز تیل و مک‌کالوچ را از بنیان‌گذاران اصلی این حوزه می‌دانند.

سلول‌های بدن دائماً با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. برای مثال، هورمونی در خون می‌تواند به سلولی پیام بدهد که تقسیم شود، ژنی را فعال کند یا فعالیت خاصی را متوقف کند. اما سلول چگونه چنین پیامی را دریافت می‌کند؟

سطح سلول‌ها پر از مولکول‌هایی به نام «گیرنده» است. هر گیرنده می‌تواند مولکول‌های خاصی را شناسایی کند؛ تقریباً شبیه قفل و کلید. وقتی مولکول پیام‌رسان به گیرنده متصل می‌شود، اتفاقاتی در داخل سلول آغاز می‌شود. این فرایند «انتقال پیام سلولی» نام دارد.

تا دهه ۱۹۸۰ مشخص نبود این زنجیره دقیقاً چگونه کار می‌کند. تونی پاوسون، زیست‌شناس سلولی دانشگاه تورنتو، یکی از سازوکارهای اصلی آن را کشف کرد. او روی گروهی از گیرنده‌ها به نام «تیروزین کیناز» مطالعه می‌کرد. وقتی چنین گیرنده‌ای فعال می‌شود، گروه‌های شیمیایی کوچکی به نام فسفات به بخش‌هایی از آن متصل می‌شوند. به این فرایند «فسفریلاسیون» گفته می‌شود.

فسفات را می‌توان نوعی علامت شیمیایی در نظر گرفت که به پروتئین‌های دیگر می‌گوید اتفاقی افتاده است. پاوسون متوجه شد بسیاری از پروتئین‌های داخل سلول دارای بخشی به نام SH2 هستند. این بخش می‌تواند تیروزین‌های فسفریله‌شده را شناسایی و به آن‌ها متصل شود. در نتیجه وقتی گیرنده فعال می‌شود، تعداد زیادی پروتئین به سمت آن جذب می‌شوند و زنجیره‌ای از واکنش‌های شیمیایی آغاز می‌شود.

کشف پاوسون کمک کرد دانشمندان بفهمند چگونه یک پیام کوچک در سطح سلول می‌تواند مجموعه بزرگی از تغییرات را درون آن ایجاد کند.

اهمیت موضوع فقط نظری نبود. اختلال در همین مسیرهای پیام‌رسانی در بیماری‌هایی مانند سرطان و دیابت دیده می‌شود و برخی داروهای امروزی سرطان دقیقاً همین مسیرها را هدف قرار می‌دهند. پاوسون از گزینه‌های جدی نوبل به شمار می‌رفت، اما در سال ۲۰۱۳ و در ۶۰ سالگی درگذشت.

برای مدت طولانی وقتی از مغز صحبت می‌شد، تقریباً تمام توجه روی نورون‌ها بود. نورون‌ها همان سلول‌هایی هستند که پیام‌های الکتریکی و شیمیایی را منتقل می‌کنند و فعالیت‌هایی مانند فکرکردن، حرکت و پردازش اطلاعات به آن‌ها وابسته است. اما نورون‌ها تنها سلول‌های مغز نیستند.

دسته بزرگی از سلول‌های دیگر وجود دارند که «گلیا» نامیده می‌شوند. واژه گلیا از کلمه‌ای یونانی به معنای «چسب» گرفته شده است؛ نامی که نشان می‌دهد دانشمندان در ابتدا این سلول‌ها را چیزی بیشتر از ساختار پشتیبان نورون‌ها نمی‌دانستند.

بن بارس به تغییر این دیدگاه کمک کرد. او روش‌هایی ایجاد کرد که پژوهشگران می‌توانستند انواع مختلف سلول‌های مغزی را از یکدیگر جدا و هرکدام را مستقلاً مطالعه کنند.

نتایج نشان داد سلول‌های گلیال بسیار فعال‌تر از چیزی هستند که قبلاً تصور می‌شد. برای مثال، یکی از انواع گلیا به نام «آستروسیت» در شکل‌گیری سیناپس‌ها نقش دارد. سیناپس محل ارتباط میان دو نورون است. مغز هنگام رشد و یادگیری دائماً سیناپس‌های تازه ایجاد می‌کند.

بارس در سال ۲۰۰۵ نشان داد مولکول‌هایی که آستروسیت‌ها ترشح می‌کنند برای شکل‌گیری سیناپس‌ها اهمیت دارند. دو سال بعد، پژوهش او نشان داد آستروسیت‌ها و نوع دیگری از سلول‌های مغزی به نام «میکروگلیا» در حذف ارتباطات اضافی میان نورون‌ها نیز نقش دارند. بنابراین گلیا فقط اسکلت و پشتیبان مغز نیست؛ در ساخت و تغییر شبکه عصبی نیز مشارکت می‌کند.

بارس در سال ۲۰۱۷ و در ۶۳ سالگی درگذشت. برخی همکارانش معتقد بودند اگر بیشتر عمر می‌کرد ممکن بود برنده نوبل شود. البته مشکلی وجود داشت: تأثیر علمی او نتیجه یک کشف منفرد نبود، بلکه از مجموعه‌ای بزرگ از پژوهش‌ها حاصل شده بود.

این مسئله یکی از انتقادهای قدیمی به نوبل را هم نشان می‌دهد. علم معمولاً نتیجه یک «لحظه کشف ناگهانی» نیست؛ بسیاری از پیشرفت‌های بزرگ طی سال‌ها و با مجموعه‌ای از پژوهش‌ها شکل می‌گیرند.

در سال ۱۹۹۰ دانشمندان پروژه‌ای را آغاز کردند که برای آن زمان تقریباً غیرممکن به نظر می‌رسید: خواندن تمام اطلاعات ژنتیکی انسان.

ژنوم را می‌توان مجموعه کامل دستورالعمل‌های ژنتیکی یک موجود زنده دانست. DNA از واحدهایی شیمیایی تشکیل شده است که به آن‌ها «باز» گفته می‌شود. ژنوم انسان تقریباً سه میلیارد جفت از این بازها دارد.

هدف پروژه ژنوم انسان این بود که ترتیب همه آن‌ها مشخص شود. برخی دانشمندان فکر می‌کردند چنین پروژه‌ای بیش‌ازحد بزرگ و پرهزینه است. برخی دیگر می‌گفتند بخش بزرگی از DNA انسان کاربرد مشخصی ندارد و بنابراین خواندن همه آن اتلاف وقت خواهد بود. اما پروژه آغاز شد. گروه‌های علمی از آمریکا، بریتانیا، ژاپن، چین، فرانسه و آلمان در آن مشارکت کردند.

یکی از چالش‌های اصلی حجم عظیم اطلاعات بود. پژوهشگران روش‌هایی توسعه دادند که DNA را به قطعات کوچک‌تر تقسیم می‌کرد، این قطعات را به‌صورت موازی می‌خواند و سپس با کمک رایانه دوباره ترتیب آن‌ها را مشخص می‌کرد.

در سال ۱۹۹۸ کریگ ونتر پروژه خصوصی رقیبی راه‌اندازی کرد. شرکت او، سلرا ژنومیکس، قصد داشت با روشی سریع‌تر ژنوم انسان را توالی‌یابی کند و برخی اطلاعات حاصل را به شرکت‌های دارویی بفروشد. رقابت شدیدی میان پروژه عمومی و شرکت خصوصی شکل گرفت. سرانجام دو طرف در ژوئن ۲۰۰۰ اعلام کردند که هر دو به «پیش‌نویس کاری» ژنوم انسان رسیده‌اند.

نتایج آن‌ها در سال ۲۰۰۱ منتشر شد و نسخه کامل‌تری از پروژه عمومی نیز در سال ۲۰۰۴ ارائه شد. البته حتی پس از آن نیز برخی شکاف‌های ژنوم باقی ماندند و تکمیل آن سال‌ها ادامه یافت.

دستاورد این پروژه بسیار فراتر از تهیه یک فهرست طولانی از حروف DNA بود. وقتی پژوهشگران ژنوم مرجع انسان را در اختیار داشتند، می‌توانستند راحت‌تر ژن‌ها را شناسایی کنند، تغییرات ژنتیکی مرتبط با بیماری‌ها را پیدا کنند و اهداف جدیدی برای تولید دارو بیابند.

امروز پروژه ژنوم انسان یکی از مهم‌ترین پروژه‌های زیست‌شناسی مدرن محسوب می‌شود. اما همین بزرگی پروژه احتمالاً یکی از دلایل اصلی نبودن جایزه نوبل بود. هزاران دانشمند در آن مشارکت داشتند و انتخاب فقط سه نفر، یعنی حداکثر تعداد برندگان یک نوبل، بسیار دشوار بود.

اختلاف شدید میان پروژه عمومی و تیم خصوصی ونتر و جنجال بر سر تجاری‌سازی داده‌های ژنتیکی نیز ممکن است تصمیم‌گیری کمیته نوبل را پیچیده‌تر کرده باشد. در نتیجه، یکی از بزرگ‌ترین پروژه‌های تاریخ زیست‌شناسی هیچ‌گاه یک «نوبل پروژه ژنوم انسان» دریافت نکرد.