Dziedziczenie i powstawanie nowych cech od zawsze interesowało ludzi. Otaczający świat i jego olbrzymia różnorodność dawał wiele do myślenia. Ale i nie tylko w fazie pomysłów pozostawały niektóre przedsięwzięcia. Z tych wczesnych eksperymentów na roślinach, czy zwierzętach do dziś pozostały nam pierwsze rośliny użytkowe oraz udomowione zwierzęta. Wszystko to, co stanowi podstawę naszego dzisiejszego życia (wyżywienie, odzież), a zarazem podwaliny nauki, która niesłychanie rozwinęła się w ostatnich dziesięcioleciach, czyli genetyki.

W historii mieliśmy kilka przejawów błyskotliwych na owe czasy teorii, a które dzisiaj wydają się oczywistymi dogmatami. Jednak w przeszłości pomysły musiały przejść ciężką drogę i pokonać wiele kulturowych przeciwności, by stały się, czymś oczywistym. Już w starożytności można było zaobserwować rozkwit myśli przyrodniczych, które później zostały zapomniane na setki lat, tylko po to, by ponownie odkryć ich prawdziwość w renesansie. Przykładem niech będą greccy filozofowie przyrody, którzy już w V wieku p.n.e. próbowali potwierdzić równość obu płci i ich jednakowy udział w dawaniu życia. Zdaniem Demokryta informacje przenoszone były jako niewielkie cząstki, których cechy (wielkość, ułożenie) wpływały na przyszłe cechy potomka. Nie był to jednak pogląd szeroko rozpowszechniony. Teofrast, uważany za ojca botaniki przedstawił swoje teorie dotyczące rozmnażania roślin, uważając, że mają wiele wspólnego z rozmnażaniem zwierząt, co zostało powszechnie uznane za niedorzeczność. Widać więc, że wiele słusznych teorii musiało poczekać na swój właściwy moment.

Badania, które ukierunkowane były już bardziej na współczesną genetykę rozpoczęły się jednak dopiero w XIX wieku. Badania skupiały się na cechach, które można było zauważyć gołym okiem (kolor kwiatów, wielkość nasion i ich morfologię). W rezultacie owych badań udało się opracować pojęcie genu, który uważano za niepodzielną, najmniejszą jednostkę odpowiedzialną za dziedziczenie. Było to wówczas pojęcie abstrakcyjne, ponieważ nikt nie miał wiedzy na temat DNA i jego budowy, podobnie sam mechanizm dziedziczenia pozostawał nieznany.

XIX wiek sprzyjał rozwojowi genetyki, między innymi, dzięki ulepszaniu mikroskopów i licznym obserwacjom komórek. Teoria komórkowa ugruntowała swą pozycję w świecie nauki. Udowodniono również, że nowe komórki mogą powstawać tylko dzięki podziałom starych komórek. Ponadto komórki o podobnej budowie i funkcjach tworzą tkanki lub organy. Możliwe były także badania wnętrza komórek. Wyodrębniły się wówczas trzy kierunki badań genetycznych. Pierwszym z nich był związany z badaniem statystycznym pojedynczych, dziedziczonych cech. Drugim kierunkiem było badanie chromosomów, a trzecim badanie wnętrza jądra komórkowego oraz zawartość cytoplazmy komórki, skupiając się na biochemii. Te nurty rozwijające się niezależnie dały w początkach XX wieku jedną wspólną dziedzinę - genetykę.

Z początkiem XIX wieku podczas obserwacji mikroskopowych zaobserwowano w jądrze jeszcze drobniejsze struktury, które później nazwano chromosomami, ze względu na to, że bardzo dobrze widoczne były po specjalnym, przygotowującym komórkę do oglądania barwieniu. Pół wieku później znano już morfologię i zachowanie się chromosomów.

Po licznych obserwacjach stwierdzono, że wszystkie komórki mają zawsze taką samą, stałą liczbę chromosomów, charakterystyczną dla każdego organizmu (człowiek 46). Wyjątkiem od tej reguły były komórki rozrodcze. Zaobserwowano również, że wszystkie chromosomy można ułożyć w pary podobne do siebie. Chromosomy ułożone w parę są względem siebie homologiczne.

Badania nad chromosomami przeprowadzano na komórkach martwych, a więc nie można było zaobserwować procesów, jakie mają miejsce podczas podziału komórki. Mimo to, udało się ułożyć w kolejności obrazy, które dały całą sekwencję zdarzeń od przygotowywania się komórki do podziału do samego podziału. Okazało się, że przed podziałem zostaje utworzony duplikat każdego z chromosomów. Wszystkie wydarzenia mające miejsce pomiędzy jednym a drugim podziałem komórki nazwane zostały cyklem komórkowym, natomiast sam podział - mitozą.

Samo analizowanie chromosomów to nie wszystko. Najważniejsze jest przygotowanie komórek do takiej obserwacji mikroskopowej, a przede wszystkim wybranie odpowiedniego organizmu. Bardzo dogodnym materiałem badawczym okazały się na początku chromosomy olbrzymie (politeniczne) wyekstrahowane ze ślinianek muszki owocowej. Bardzo trudne do analizy w zwykłym mikroskopie świetlnym i bez pomocy dodatkowych zdobyczy techniki okazały się chromosomy ludzkie i inne małe chromosomy ssaków. Nawet dzisiaj są problemy z badaniem niewielkich i niewyraźnych chromosomów drożdży prowadząc obserwacje w mikroskopie świetlnym.

Jednym z najważniejszych prekursorów genetyki, który przyczynił się do stworzenia pojęcia genu był Grzegorz Mendel analizujący groszek ze swojego ogródka już w połowie XIX wieku. Choć samo pojęcie powstało po ponownym rozpatrzeniu wyników jego prac na początku XX wieku. Wówczas nastąpił intensywny rozwój genetyki. Pierwszymi badaczami byli: Karol Correns, Eryk Edler von Saysenegg Tschermak i Hans Vsedemann de Vries. Naukowcy ci nie pracowali razem, choć zajmowali się tymi samymi problemami.

Podstawowe pojęcia genetyki tj. fenotyp, gen, genotyp zostały wprowadzone do nauki przez Johannsena w 1909 roku. Wówczas pojęcie genu odpowiadało jednostce (pozostającej w sferze wyobraźni), która odpowiadała za dziedziczną cechę gatunku. Późniejsze, wieloletnie analizy dziedziczenia cech potwierdziły słuszność teorii.

Grzegorz Mendel zajmował się badaniami nad groszkiem pachnącym. Analizował takie cechy jak: kolor kwiatów, długość pędów, kolor oraz morfologię nasion. Każdą z tych cech uważał za dziedziczną genetycznie, nie biorąc zupełnie pod uwagę procesów chemicznych, czy nie znając mechanizmu determinacji danej cechy przez gen. Zastanawiające jest to, że mimo takich olbrzymich braków wiedzy o podstawach dziedziczenia Mendlowi, a później jego następcom udało się sformułować podstawowe prawa dziedziczenia cech.

Grzegorz Mendel (1822-1884) był to austriacki mnich. To, że w swoich badaniach używał właśnie groszku pachnącego miało kilka uzasadnionych przyczyn. Pierwsza z nich to duże zróżnicowanie cech u jednego gatunku, a u innych odmian, przez co łatwiej zaobserwować było ich zmiany. Drugim ważnym argumentem było swobodne krzyżowanie różnych odmian, a trzecim było wytwarzanie dość dużej ilości nasion, co umożliwiało szacunki statystyczne. Najważniejszym założeniem Mendla jeszcze przed rozpoczęciem badań było przeświadczenie, że każda cecha jest determinowana przez materialny nośnik/wektor, który jest przekazywany przez rodziców potomstwu.

Obserwacje Mendla skupiały się jednorazowo na jednej dziedziczonej cesze; u groszku była to np. barwa kwiatów, kształt i kolor nasion, czy wysokość pędów. Doświadczeniem mniej znanym było rozmnażanie groszku o różnych wysokościach pędów, a zatem w skrócie jego opis. Najpierw mendel rozmnażał groszek, który posiadał pędy o wysokości ok. 2 m; w kolejnych rozmnażanych pokoleniach wysokość ta utrzymywała się, więc Mendel wysnuł przypuszczenie, że musi istnieć jakaś materialna podstawa, gen, który koduje właśnie tę wysokość pędu. Następnie zaczął on rozmnażać groszek o niskich pędach, wysokości ok. 30 cm. Również i z tym groszkiem sytuacja się powtórzyła. Dlatego też następnym krokiem Mendla było skrzyżowanie obu odmian groszku (wysoki x niski). W pierwszym pokoleniu powstały tylko rośliny wysokie. Następnie otrzymane rośliny skrzyżował między sobą, w rezultacie otrzymując trzy rośliny wysokie i jedną niską. Dla ułatwienia przeprowadzanych badań Mendel nazwał kolejne pokolenia: P - pokolenie rodzicielskie, F1 - pierwsze pokolenie potomne, F2 drugie pokolenie potomne.

Posiadając dzisiejszą wiedzę, wiemy, że genotyp wysokich pędów musiał wyglądać tak: TT (dwa allele dominujące, homozygota dominująca), pędów niskich (tt - homozygota recesywna), a pierwszego pokolenia potomnego - Tt - heterozygota dominująca.

Wynikiem krzyżówki było zatem:

- pokolenie rodzicielskie stanowiły dwie różne odmiany, które zostały ze sobą skrzyżowane

- w pierwszym pokoleniu potomnym wszystkie rośliny były wysokie

- w drugim pokoleniu potomnym 75% roślin było wysokich, a 25% niskich

Wyniki te i wyniki wielu innych eksperymentów dotyczących różnych cech potwierdziły się i po latach obserwacji doprowadziły mendla do sformułowania ogólnych wniosków, tzw. praw Mendla.

1. Pierwsze prawo Mendla, prawo czystości gamet

Mówi, że każda gameta zawiera tylko jeden gen determinujący daną cechę z pary alleli. Wynika z tego, że każda komórka rozrodcza posiada allel. Po połączeniu się komórek, zygota zawiera dwa allele, ale tylko jeden z nich decyduje o cesze organizmu. Warunkowanie danej cechy nazwane zostało dominacją, natomiast brak efektu drugiego genu - recesywnością

2. Drugie prawo Mendla, prawo niezależnej segregacji cech

Mówi, że po skrzyżowaniu organizmów, które różnią się więcej niż jedną cechą, cechy te dziedziczone są niezależnie od siebie.

Prawa Mendla stały się podwalinami genetyki klasycznej i dalszego jej rozwoju. Z oczywistych względów nie był w stanie wykryć całej wielkiej różnorodności zjawisk dziedziczenia. Dopiero w późniejszych latach dokonano nowych odkryć, modyfikacji i uzupełnień jego teorii.

Nowymi odkryciami były przede wszystkim zjawiska niepełnej dominacji i współdominacji. W badaniach Mendla zawsze jeden allel całkowicie dominował nad drugim i nadawał swoją cechę. W rzeczywistości nie zawsze tak jest. Często zdarza się, że heterozygota ma fenotyp pośredni w stosunku do obu homozygot. Przykładem może być skrzyżowanie wyżlinu o kwiatach czerwonych (AA) i białych (aa). W pokoleniu F1 otrzymujemy wszystkie heterozygoty (Aa) o kwiatach różowych. Jeśli rośliny z pokolenia F1 poddamy samozapyleniu, to w pokoleniu F2 otrzymamy trzy genotypy: AA - barwa czerwona - 25%, Aa - barwa różowa - 50% i aa - barwa biała - 25%. Widać w tym wypadku, że każdy genotyp posiada swój własny fenotyp. Zjawisko ujawniania się cechy pośredniej, będące konsekwencją współwystępowania w zygocie obu alleli (heterozygota) nazywamy niepełną dominacją, ponieważ żaden allel nie dominuje nad drugim, w związku z tym, żadna z cech nie ujawnia się w potomstwie.

Innym rodzajem dominacji niezupełnej jest współdominacja. Widoczna jest ona na przykładzie dziedziczenia grup krwi u człowieka. Tu w przeciwieństwie do dominacji niezupełnej oba allele w zygocie ujawniają się i dodają swoje cechy. Dla przypomnienia układ grupowy krwi człowieka i jego genotypy:

Grupę ludzkiej krwi determinują trzy allele, z czego dwa dominujące, jeden recesywny: IA, IB, i0, a zatem:

Grupa krwi A determinowana jest przez genotypy: IAIA lub IAi0

Grupa krwi B determinowana jest przez genotypy: IBIB lub IBi0

Grupa krwi 0 determinowana jest tylko przez homozygotę i0i0

Grupa krwi AB determinowana jest przez genotyp IAIB

Właśnie w tym ostatnim przypadku mamy do czynienia ze współdominacją, a zatem ta grupa krwi ma zarówno cechy grupy A jak i grupy B (krwinki posiadają antygeny A i B).

Inną modyfikacją do praw Mendla było odkrycie, że ilość alleli determinujących jedną cechę, wcale nie musi wynosić 2. Alleli jednego genu może być znacznie więcej. Zgodnie jednak z pierwszym prawem Mendla w gamecie występuje tylko jeden allel danego genu, a w zygocie tylko dwa. Przykładem alleli wielokrotnych jest wymieniony wcześniej układ grupowy krwi determinowany przez trzy allele. Występowanie większej liczby alleli jednego genu jest regułą, a nie wyjątkiem. Wynika to z faktu, iż gen jest odcinkiem kwasu DNA, który złożony jest z kilkuset par nukleotydów. W wyniku zmiany dowolnego nukleotydu może powstać nowy allel danego genu.

Obecnie w dobie wysoko rozwiniętych badań genetycznych, jedynie pierwsze prawo Mendla pozostaje bez zarzutów. Drugie prawo nieco straciło na wartości, gdyż przedstawia tylko jedną z bardzo wielu możliwości. Z doświadczeń Mendla wynikało, że poszczególne odrębne pary genów allelicznych wpływają na odrębne cechy organizmu. Zatem należałoby przyjąć, że mamy tyle odrębnych par alleli ile cech organizmu. Jednak dalsze badania wykazały, że zależności występujące pomiędzy poszczególnymi genami i allelami są o wiele bardziej skomplikowane. Geny dziedziczą się oddzielnie tylko w takim przypadku, kiedy znajdują się na różnych chromosomach. Kiedy leżą na tym samym chromosomie dziedziczą się wspólnie. Ponadto jeden gen może wpływać jednocześnie na kilka cech, lub też jedna cecha może być kodowana przez kilka genów jednocześnie.

Modyfikacjami praw Mendla i dalszymi badaniami nad dziedzicznością zajął się Thomas Morgan (1866-1945). Jest on pierwszym twórcą chromosomowej teorii dziedziczności. Wykazał on, że każdy gen ma swoje miejsce - lotus na chromosomie, geny ułożone są liniowo na chromosomach, a ponadto wykazał, że dla każdej cechy istnieją dwa geny, znajdujące się na chromosomie matczynym i ojcowskim, a łącznie tworzą parę alleliczną.

Morgan nieco później rozpoczął swoje eksperymenty na muszce owocowej (Drosophila melanogaster). Istniało kilka bardzo istotnych przesłanek, dlaczego Morgan wybrał właśnie muszkę do swoich eksperymentów. Przede wszystkim muszka posiada bardzo krótki cykl życiowy (około 7 dni), w związku z czym otrzymanie kolejnych pokoleń w krótkim czasie było bardzo korzystne i szybko można było przeprowadzić analizę genetyczną, dla obserwowania cech. Poza tym potomstwo w jednym pokoleniu jest bardzo liczne, dlatego można obserwować rozkład cech w całej populacji. Chromosomy są nieliczne i duże, dlatego można je szybko zanalizować. Krótki czas trwania jednego pokolenia pozwolił Morganowi na zaobserwowanie mutacji.

W każdym z pokoleń muszki owocówki połowę populacji stanowią samce, a połowę samice. Drosophila posiada liczbę chromosomów 2n=8, trzy pary autosomów i jedna para chromosomów płci. Samce mają jeden chromosom X jeden Y (dwuramienny), a samice dwa chromosomy X. Geny znajdujące się na chromosomie Y nie mają swoich odpowiedników na chromosomach samicy. Przy zapłodnieniu samicy połowa zygot powstająca z zapłodnienia komórek jajowych plemnikami z chromosomem X zawiera dwa chromosomy X i daje początek samicom, natomiast druga połowa zygot z zapłodnienia komórek jajowych plemnikami z chromosomem Y daje zygoty XY, a zatem są to samce. Wszystkie zygoty mają identyczny skład trzech par autosomów, które u obu płci są identyczne. Mechanizm chromosomowy zapewnia pojawienie się w każdym pokoleniu połowy samców i samic.

Wnioski, które Morgan wysnuł z badań nad teorią lokalizacji genów na chromosomach są następujące:

- geny znajdują się na chromosomach i każdy ma swój lotus

- na jednym chromosomie znajduje się wiele genów

- niektóre chromosomy są związane z płcią

- geny, które znajdują się na tym samym chromosomie dziedziczą się razem

- tylko geny umieszczone na różnych chromosomach dziedziczą się niezależnie

W swoich badaniach Mendel wykazał sprzężenie genów z płcią i dziedziczenie niezgodne z prawami Mendla. Pierwszym takim genem, który udało mu się zlokalizować był gen recesywny, odpowiadający za białą barwę oczu, jego allel dominujący warunkuje czerwoną barwę oczu typu dzikiego. Na podstawie badań. Morgan stwierdził, że po skrzyżowaniu samicy o oczach czerwonych i samca o oczach białych, w pokoleniu F1 zarówno samce, jak i samice miały oczy czerwone typy dzikiego (allel białych oczu był recesywny). Ale już w pokoleniu F2 stosunek much o oczach czerwonych do much o oczach białych wynosił 3:1, co jest zgodne z założeniem monogenicznego dziedziczenia cechy. Czymś zaskakującym było natomiast wystąpienie u połowy samców oczu białych, a u połowy oczu czerwonych, podczas, gdy wszystkie samice miały oczy czerwone. Jeszcze bardziej zaskakujący był efekt krzyżówki samic o oczach białych z samcami o oczach czerwonych. W pokoleniu F1 wszystkie samice miały oczy czerwone, a samce oczy białe, czyli odwrotnie niż u pokolenia rodzicielskiego. W pokoleniu F2 połowa samic i połowa samców miała oczy czerwone, a połowa oczy białe. A zatem wynika stąd, iż dziedziczenie białej barwy oczu zależy od tego, która płeć wprowadza allel dominującej czerwonej barwy, a która allel recesywny.

Innym odstępstwem od normy było nie dziedziczenie łączne genów, które znajdowały się na jednym chromosomie. Długo szukano wyjaśnienia tego zjawiska, aż w końcu udało się zaobserwować, że odpowiedzialne za to jest crossing-over, czyli wymiana fragmentów chromatyd chromosomów homologicznych. Ponadto Morgan wykazał, że ilość crossing-over pomiędzy allelami jest proporcjonalna do odległości, jaka między nimi występuje na chromosomie. Im geny są bliżej na chromosomie, tym rzadziej występuje między nimi rekombinacja.

W końcu swej kariery badawczej w 1922 roku wraz z pomocą swoich współpracowników był w stanie dokładnie opisać każdy chromosom muszki owocowej i pokazać lokalizację genów badanych cech na tych chromosomach. Było to pierwsze mapowanie genów zakończone pomyślnie. Chromosomowa teoria dziedziczności została opublikowana w 1915 roku, a w 1926 "Teoria genów"

Jednym z największych odkryć XX wieku w dziedzinie nie tylko genetyki, ale biologii ogólnie było poznanie struktury i funkcji kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Jest on nośnikiem informacji genetycznej każdego żywego organizmu. Eksperymenty, które udowodniły, że to właśnie DNA jest nośnikiem informacji genetycznej to badania prowadzone przez Fredericka Griffith'a eksperymentującego na myszach (1928) oraz badania Alfreda Hershey'a i Marthy Chasa na wirusach (bakteriofagach atakujących bakterię, wprowadzając do jej komórki własne DNA).

Griffith pracował nad opracowaniem szczepionki przeciwko zapaleniu płuc, wywoływane jest przez bakterie Streptococcus pneumonea. Wówczas nie znano jeszcze antybiotyków, a choroba ta była śmiertelna. Badania przeprowadzane były na dwóch szczepach bakterii, z których tylko jeden wywoływał chorobę, a drugi był niegroźny. Nie wiadomo było, co jest przyczyną zjadliwości, więc Griffith założył, że zależy to od wytwarzania lub braku otoczki. Jak się okazało później założenie było poprawne. Zatem mógł przystąpić do eksperymentu. Jego pierwszą częścią było wstrzyknięcie myszom bakterii szczepu zjadliwego (S), który wytwarzał otoczkę. Jak się okazało wszystkie myszy w niedługim czasie zdechły. Kolejnym etapem było zabicie wysoką temperaturą bakterii zjadliwych (S-) i ponowne wstrzyknięcie ich myszom. Jak można było przewidzieć, żadna nie zachorowała, wszystkie przeżyły. Następnym krokiem było wstrzyknięcie myszom żywych bakterii z niegroźnego szczepu, który nie wytwarza otoczek (R). Tu również jak się spodziewano myszy przetrwały, bez większych uszczerbków na zdrowiu, nie chorując na zapalenie płuc. Najciekawszym punktem eksperymentu był etap, w którym podano myszom jednocześnie martwe bakterie ze szczepu zjadliwego (S-) i bakterie ze szczepu nie wytwarzającego otoczki (R). Jak się okazało wszystkie myszy zachorowały i większość z nich zdechła. Po dokładnej analizie, w ciałach zdechłych myszy z ostatniej fazy eksperymenty znaleziono żywe bakterie pochodzące ze szczepu wytwarzającego otoczkę (S), natomiast nie wykazano obecności bakterii nie wytwarzających otoczki (R). Był to dość niespodziewany wynik doświadczenia. Rozważano zatem kilka rozwiązań zaistniałej sytuacji. Jedną z możliwości było nagłe ożycie bakterii termicznie zabitych, co teoretycznie mogło mieć miejsce, ale wykluczono tę możliwość. Drugą możliwością, którą wkrótce przyjęto za dobry trop było nabranie zjadliwości przez bakterie R, które w jakiś sposób przyswoiły otoczkę od bakterii S. Wytwarzanie otoczki następnie zostało przekazane kolejnym pokoleniom bakterii, a zatem zmiana ta utrwaliła się. W tym momencie pojawiło się wiele kolejnych pytań, w jaki sposób bakterie R nabrały zjadliwości?

Gryffith założył, że bakterie szczepu R nie posiadały w swoim materiale genetycznym genu, który odpowiadał za wytwarzanie otoczki, a w wyniku kontaktu tego szczepu ze szczepem zjadliwym w jakiś sposób pobrały one prawdopodobnie czynnik, który odpowiedzialny jest za jej wytwarzanie, a jednocześnie za zjadliwość. W związku z tym, że ów czynnik przekazany był bakteriom żywym od bakterii martwych musi proces ten zachodzić nie na drodze biologicznej, a chemicznej. Takie przekazanie genu pomiędzy bakteriami nazwano transformacją.

Dopiero w 1953 roku O. T. Afery wraz z współpracownikami wykazał, że to właśnie DNA jest tym czynnikiem, który jest przekazywany w procesie transformacji.

Rok wcześniej przed tym odkryciem miały miejsce ważne dla przyszłości genetyki eksperymenty. Prowadzone były one przez Martę Chase i Alfreda Hershey'a. Wykorzystywali oni do swoich badań bakteriofagi. Są to wirusy pasożytujące na bakteriach, a dostają się do ich komórek wstrzykując do nich swoje DNA. Bakteriofagami użytymi w doświadczeniu były te atakujące bakterie E. coli.

Celem badań było sprawdzenie, jaki jest mechanizm dostawania się części wirusa do komórki bakteryjnej, a także jaka jego część wnika, a zatem co odpowiedzialne jest za przekazanie informacji kolejnej generacji wirusów. Aby później ułatwić zlokalizowanie bakteriofagów, hodowano je początkowo na pożywce, która wzbogacona była radioaktywnymi izotopami fosforu (32P) i siarki (35S). Izotop fosforu włączony został do DNA, natomiast siarka do kapsydu (otoczki białkowej) wirusa. Obserwując bakterie i bakteriofagi po kolejnym cyklu rozmnażania można było stwierdzić niebywałą wówczas rzecz: okazało się, że bakterie zawierały w swym wnętrzu tylko radioaktywny fosfor, a zupełnie brak było radioaktywnej siarki. Jak się okazało płaszcz białkowy wirusa został porzucony, natomiast do komórki bakterii przedostał się jedynie kwas DNA. Z tego wywnioskowano, że tylko DNA wystarcza do przekazania informacji i powstania nowego pokolenia wirusów.

Badania nad DNA zakrojone na szeroką skalę rozpoczęły się w połowie XX wieku. Wówczas w laboratoriach zamiast roślin i zwierząt zaczęto wykorzystywać prymitywniejsze formy życia (bakterie, wirusy, grzyby). Badania okazały się znacznie mniej kłopotliwe, a przynosiły takie same efekty. Dzięki nim udało się określić rolę DNA, RNA i białek jako uniwersalnych przenośników cech każdego organizmu. Badania szybko przyczyniły się do dokładnego zbadania dziedziczenia u najprostszych organizmów, a w ich konsekwencji powstała teoria, postrzegająca gen jako informację decydującą wszystkie cechy organizmu, i przekazywaną kolejnym pokoleniom.

Kwas DNA (deoksyrybonukleinowy) jest to związek chemiczny, zbudowany jest z długich, polinukleotydowych łańcuchów. Jednostką, która buduje ten łańcuch jest deoksyrybonukleotyd, w którego skład wchodzą: cukier pięciowęglowy - deoksyryboza, która połączona jest z jedną z zasad azotowych wiązaniem N-glikozydowym oraz z resztą fosforanową. Do zasad azotowych budujących DNA należą pochodne jednopierścieniowej pirymidyny: Tymina (T) i Cytozyna (C), oraz pochodne dwupierścieniowej puryny: Adenina (A) i guanina (G).

Informacjami takimi dysponowali również Rosalinda Franklin i Maurice Williams, którzy w Londynie rozpoczynali swe badania nad DNA. Celem badań było ustalenie dokładnej budowy. Rozpoczęto od pomiaru dyfrakcji rentgenowskiej, który pozwolił na określenie odległości pomiędzy tymi elementami, które w łańcuchu się powtarzają. Określono także, że dwuniciowa cząsteczka DNA ma postać helisy. Analiza wielu zdjęć doprowadziła do stwierdzenia, że zasady azotowe w łańcuchu ułożone są jedna nad drugą.

W tym samym czasie na Uniwersytecie Columbia (USA) swoje eksperymenty przeprowadzał Erwin Chargoff. Po przeanalizowaniu DNA pochodzącego od wielu organizmów wykazał on kilka prawidłowości dotyczących składu i budowy DNA. Stwierdził on, iż ilość pury i pirymidyn w kwasie jest prawie taka sama, podobnie jak stosunek adeniny do tyminy i cytozyny do guaniny jest w każdym przypadku jak 1:1, a prawidłowości te dotyczą wszystkich badanych gatunków.

Bogaci w taką wiedzę Jamek Watson i Francis Trick przedstawili swoją teorie budowy DNA w 1953 roku. Według nich cząsteczka DNA zbudowana jest z dwóch splecionych ze sobą łańcuchów polinukleotydowych, które są ze sobą połączone wiązaniami wodorowymi, a każda z nici jest do siebie antyrównoległa, czyli połączone są: koniec jednej nici łączy się z początkiem drugiej. Zasady azotowe znajdują się wewnątrz helisy, natomiast na zewnątrz znajduje się deoksyryboza i reszta kwasu fosforowego. Ustalono także dane liczbowe dla helisy. Jej średnicę oszacowano na 2 nm, odległości pomiędzy zasadami to 0,34 nm, a kąt skrętu helisy obliczono na 36 stopni. Oprócz tych informacji, jednym z najważniejszych odkryć Watsona i Cricka było odkrycie komplementarności par zasad. Po licznych obliczeniach, obserwacji modeli przestrzennych, stwierdzili oni, że guanina zawsze łączy się z cytozyną wiązaniem potrójnym, natomiast adenina z wyminą, wiązaniem podwójnym. Odkrycie to potwierdziło wcześniejsze badania i przypuszczenia wielu badaczy.

Odkrycie to dało początek fali nowych badań, ale nie dysponowano wówczas tak zaawansowanymi technikami, by wnioski Watsona i Cricka odnieść do innych organizmów. Natomiast swój ponowny rozkwit badania przeżyły w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia, kiedy gwałtownie zaczęły rozwijać się nowe metody analityczne. Wówczas możliwa była rewizja niektórych założeń teorii, a także wykorzystanie wiedzy o DNA do wielu badań, z obszarów biologii, jak dotąd zaniedbanych.

Klonowanie, słowo, które ostatnimi czasy wzbudziło wiele kontrowersji, jest to proces, który polega na powstaniu nowego organizmu, który jest identyczny pod względem genetycznym z organizmem rodzicielskim. Może to być zarówno organizm roślinny jak i zwierzęcy. Klonowanie nie jest procesem sztucznym, który można wywołać jedynie w laboratorium. Jest on doskonale znany w naturze, ponieważ każdy typ rozmnażania wegetatywnego roślin, czy rozmnażania bezpłciowego zwierząt prowadzi do powstania klona. W wyniku ewolucji organizmy wyższe przeszły całkowicie na drogę rozmnażania płciowego, co jest znacznie korzystniejsze (proces mieszania się genów).

Obecnie rozważanych jest kilka sposobów otrzymywania klonów w warunkach laboratoryjnych. Prace te rozpoczęły się od pobierania blastocysty i dzieleniu elastomerów na kilka części, a właściwie jedynym efektem takiego działania było otrzymywanie tzw. klonów dwuosobnikowych. Po zapłodnieniu zwierzęcia należy odczekać zwykle kilka dni, a następnie usuwa się z niego zarodki, które następnie przecina się na pół i ponownie wprowadza do macicy. Zabiegi takie są stosowane na dość szeroką skalę, zwłaszcza w USA. Już w 1981 roku została założona pierwsza hodowla komórek węzła zarodkowego, które ulegały podziałom. Komórki te były pochodzenia mysiego. Komórki węzła zarodkowego dają bardzo szybko komórki pierwotne zarodka. Są to komórki niezróżnicowane, a zatem zdolne do przekształcenia się w każdą tkankę organizmu. Następnym doświadczenie wykorzystującym owe komórki było wprowadzenie ich do jamy blastocysty, która wcześniej została pozbawiona swojego węzła zarodkowego). Jak się można było spodziewać, już po kilku dniach zaczęły tworzyć się wszystkie pierwotne tkanki zarodkowe. Na polu takich badań wyróżnili się polscy specjaliści z Instytutu Genetyki i Hodowli Zwierząt PAN.

Jedną z ciekawszych metod, która zastosowana była już w 1952 roku, była transplantacja jądra komórkowego. Cały proces polega na pobraniu jądra z komórki zarodkowej jednego organizmu i transplantacji go do oocytu drugiego organizmu, z którego wcześniej usunięte zostało jądro własne).

Zatem klonowanie i procesy jemu towarzyszące badane były już od kilkudziesięciu lat, z mniejszym lub większym powodzeniem. Jednym z prężniej działających ośrodków jest Roslin Instytut (Edynburg, Anglia), który jest jednym z najlepszych laboratoriów badawczych, specjalizujących się w genetyce molekularnej na świecie. Badania tu prowadzone skupiają się głównie na rozrodczości zwierząt hodowlanych, a w ostatnich latach trwają tu intensywne badania nad klonowanie zwierząt. Pierwszym osiągnięciem było wyhodowanie dwóch owiec: Metan i Morgan w 1995 roku. Jądro komórkowe zazwyczaj pobierane było z komórek jeszcze niezróżnicowanego zarodka, natomiast przeszczepione wówczas jądro pochodziło ze zróżnicowanego częściowo, dziewięciodniowego embrionu. Komórka najpierw została pobrana, a następnie w warunkach sztucznych namnożona do liczby około 240 nowych komórek. Z każdej usunięto jądro komórkowe, które następnie zostały umieszczone w niezapłodnionych jajach, z których wcześniej usunięto jądra własne. Tak przygotowane komórki jajowe wszczepiono następnie do macicy owiec. Już po tygodniu prowadzenia eksperymentu pozostało jedynie 34 żywe embriony, a do zakończenia stupięćdziesięciodniowej ciąży pozostało zaledwie pięć owiec, z czego trzy nie przeżyły pierwszych dni po wydaniu potomstwa. Eksperyment, mimo, że obarczony był ogromnymi stratami udowodnił, że możliwości klonowania są znacznie większe niż do tej pory sądzono i możliwe jest nadawanie zróżnicowanym już komórkom na powrót zdolności komórek rozrodczych.

Następnym, już bardzo głośnym sukcesem okazało się klonowanie Dolny, najpopularniejszej owcy świata, przynajmniej w 1998 roku. Do eksperymentu użyte zostały cztery owce: pierwszą z nich była Finn Gorset, która w rzeczywistości została klonowana, a od której pobrano jądro komórkowe z komórki somatycznej, drugą owcą była owca Scotich Blacface, od której pobrano niezapłodnionego jaja, trzecią owcą, jaką wykorzystano była owca, która przez pewien czas nosiła zarodek w swojej macicy, natomiast czwarta owca, to ta, która przeszła poród i wydała na świat Dolly.

Naukowcem, który przeprowadził klonowanie był J. Wilmut. Pierwszym etapem całego procesu było przygotowanie obu komórek do implantacji jądra. Nie jest możliwe tak po prostu przenieść jądro z komórki somatycznej do pozbawionej własnego jądra komórki jajowej, ponieważ nie nastąpiłoby połączenie. Dlatego też obie pobrane komórki hodowano przez 5 dni w warunkach laboratoryjnych na odpowiedniej pożywce. Było to niezbędne przede wszystkim po to, by zsynchronizować cykle komórkowe poprzez ich początkowe zatrzymanie, co było niezbędne, by obie stworzyły później jedną całość. Co jeszcze ważniejsze zahamowaniu musiały ulec podziały komórki jajowej i dalsze różnicowanie komórek. Zatem efektem tych działań było zatrzymanie cyklu komórkowego w fazie G0 oraz zatrzymanie różnicowania.

Następnym etapem eksperymentu było sztuczne stworzenie zygoty. Do komórki jajowej pozbawionej jądra została przeniesiona komórka somatyczna i w skutek elektrofuzji (zadziałania na obie komórki impulsu elektrycznego, dzięki czemu komórki połączyły się) została utworzona zygota.

Zygota zaczęła się dzielić, zaczęły powstawać nowe komórki, a w efekcie tych podziałów powstał zarodek, a właściwie powstało 247 zygot. Z tych zygot hodowanych in vivo, jedynie 29 doszło do stadium moruli lub blastuli. By to wyjaśnić, kilka informacji z embriologii: zapłodnienie (rozumiane w sensie biologicznym, jako proces naturalny) jest połączeniem się komórek jajowej i plemnikowej. W przypadku eksperymentu, w miejsce plemnika do komórki jajowej wniknęła komórka somatyczna. Morula jest stadium młodego zarodka, który zawiera do ośmiu komórek, które zwane są tu blastomerami, natomiast blastula jest zarodkiem z dużo większą liczbą komórek, ale wciąż jest jeszcze wielkości komórki jajowej.

Zarodki, które otrzymano wszczepiono następnie trzynastu owcom, z czego każda owca miała w macicy po kilka zarodków. Tylko u jednej z owiec stwierdzono ciążę, która później okazała się Dolly.

To były jedynie początki klonowania, bardzo głośne i bardzo kontrowersyjne z etycznego punktu widzenia, ale możemy być pewni, że badania nad udoskonaleniem techniki cały czas trwają i niewątpliwie są one zakrojone na szeroką skalę. Są to jednak badania bardzo drogie i niewiele państwowych instytutów badawczych na nie stać, stąd liczne prywatne dotacje, zwłaszcza w USA czy Anglii. Nie tylko Roslin Insitute, który jest niewątpliwie pionierem w eksperymentach nad klonowaniem może poszczycić się pewnymi osiągnięciami. W USA (Advanced Cell Technology of Worecester) jak wiadomo udało się sklonować krowy oraz świnie, z wykorzystaniem genetycznie zmienionych fibroblastów. W planach jest pobranie z zarodka neuroblastów - wczesnych komórek nerwowych, które można by wykorzystać w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych tj. choroba Parkinsona.

Klonowanie w połączeniu z nowoczesnymi technikami inżynierii genetycznej w obecnych czasach stwarza niesamowicie wiele możliwości i perspektyw dla dzisiejszej biologii, medycyny, przede wszystkim w pomocy człowiekowi i dla jego dobra. Jednym z ważnych problemów chorych na całym świecie jest przeszczep organów. Jest to proces długotrwały i uzależniony w głównej mierze od dawcy, dlatego bardzo często zdarza się, że wielu ludzi umiera, zanim dotrwa przeszczepu. Wyjściem alternatywnym jest transplantacja narządów pochodzenia zwierzęcego. Jak się okazuje wprowadzenie do genomu zwierzęcia ludzkich genów odpowiedzialnych za kodowanie niektórych ludzkich białek w znacznym stopniu niweluje niezgodność gatunkową pomiędzy organami. Najważniejszą jednak przeszkodą w tego rodzaju przeszczepach jest glukozylotransferaza, białko odpowiedzialne za tworzenie alfa-1,3-galaktozy, która z kolei odpowiada za odrzucenie przeszczepu. Tak więc, zanim nie zmienimy genu, który koduje to białko (nie występujące u zwierząt) nie możemy liczyć na pełen sukces przeszczepu. Innym problemem jest wykryta niedawno obecność retrowirusów w komórkach świni, które jak się okazało mogą być przyczyną chorób u ludzi. Najbardziej futurystycznym obrazem, który rysowałby się, po pokonaniu tych wszystkich barier jest po prostu klonowanie takiej świni, która nie posiadałaby retrowirusów, a kłopot z glukozylotransferazą i odrzuceniem przeszczepu byłby rozwiązany. Wówczas możliwa do uzyskania byłaby dowolna liczba dowolnych organów, a problemy ludzi z ich niewydolnością zniknęłyby na zawsze.

Mimo swojej nadrzędnej pozycji na Ziemi, człowiek nadal pozostaje częścią przyrody i wbrew pozorom ma z nią wiele wspólnego. Doskonałym modelem do obserwacji chorób genetycznych człowieka, który jest tak bardzo podobny do niektórych zwierząt byłyby właśnie ich klony. A skutkiem mogłyby być nowe metody zapobiegania chorobom, czy ich leczenia.

Proces klonowania i liczne eksperymenty związane z przeszczepianiem jąder komórkowych, czy hodowlą komórek macierzystych przyczyniły się między innymi do sprawdzenia teorii na temat przyczyn starzenia się organizmu oraz wzmożonej zachorowalności na raka w starszym wieku. Podstawą teorii jest kilka faktów: każda komórka ciała ludzkiego ulega kilkudziesięciu podziałom w ciągu całego życia (20-30), a mutacje genowe, które powstają w wyniki zaburzenia prawidłowych podziałów są właściwą przyczyną zwiększania częstości zachorowań na raka wraz z wiekiem.

Obecnie zdrowe komórki stosuje się także w leczeniu wielu chorób tj. choroba Parkinsona, leukemia i in. Są to komórki pobrane od osób z najbliższej rodziny chorego, aby zapobiec reakcji obronnej układu immunologicznego. Mogłoby się to zmienić także dzięki klonowaniu; wystarczyłoby pobrać od chorego jakiekolwiek komórki, następnie zamienić je na jakiekolwiek komórki, których organizm aktualnie potrzebuje i je wszczepić. Byłoby to krokiem milowym w leczeniu wszystkich, dzisiaj uważanych za nieuleczalne, lub bardzo trudno uleczalne choroby.

Wielka burza medialna, jaka rozpętała się po klonowaniu Dolly w Roslin Institute była w głównej mierze spowodowana niezrozumieniem samego eksperymentu, a przede wszystkim brakiem wiedzy. Natychmiastowo od klonowania zwierząt zaczęło mówić się o klonowaniu ludzi, które wydało się niebezpieczne i nieetyczne. Jednak długo trwało, zanim ludzie uświadomili sobie, że hipotetycznie klonowany człowiek, wcale nie musi być podobny do organizmu macierzystego, zwłaszcza biorąc pod uwagę czynniki epigenetyczne. To, że może wyglądać tak samo, nie oznacza, że jest to ten sam człowiek. Samo techniczne rozwiązanie problemu klonowania człowieka byłoby wyjątkowym wyzwaniem, biorąc pod uwagę choćby ilość kobiet, które musiałaby wziąć udział w projekcie (ponad 300), nie wspominając o czasie, który byłby potrzebny, biorąc pod uwagę długość ludzkiej ciąży; to w żadnym calu nie przypominałoby, zdawać by się mogło "prostego i prymitywnego" klonowania owcy. Jeszcze długa droga przed naukowcami, którzy dążą do klonowania człowieka, chociaż n pewnym jest to, że w przyszłości to nastąpi. Nieco inną sprawą jest klonowanie tylko i wyłącznie ludzkich tkanek lub narządów do przeszczepów, podobnie jak utrzymywanie w hodowli komórek macierzystych (mających zdolności do przekształcania się w każdy rodzaj komórek organizmu), ale i ta koncepcja, mimo, że ma za sobą wielu zwolenników wciąż budzi wiele kontrowersji natury moralnej.