Na tropie przestępców, czyli analiza DNA w kryminalistyce (1)

Zbrodnia doskonała to taka, w której nie pozostawiono śladów. Rzecz w tym, że zawsze jakieś ślady zostają. Zwłaszcza obecnie, dzięki badaniom DNA, wystarczy kilka komórek, żeby można było określić tzw. profil DNA i za jego pomocą zidentyfikować osobę, do której te komórki należały. Takie profile DNA umieszcza się w bazach danych. Każdy kraj ma takie bazy i korzysta z nich w służbie egzekwowania prawa. Co zawierają te bazy? Kto pierwszy wpadł na pomysł, żeby wykorzystać DNA w kryminalistyce i medycynie sądowej?

Sir Alec Jeffreys

Pionierem zastosowania analizy DNA w kryminalistyce był brytyjski genetyk Alec Jeffrey z uniwersytetu w Leicester. W 1984 r., badając DNA członków swojego zespołu, zauważył istnienie regionów znacznie różniących się sekwencjami. Nazwał je regionami minisatelitarnymi, a publikacja „Charakterystyczne dla każdej osoby „odciski palca” ludzkiego DNA” (Individual-specific `fingerprints’ of human DNA) ukazała się w Nature w 1985 r. Opisał w niej regiony DNA, które mogą służyć jako „genetyczne odciski palca”. W tym samym roku metoda ta umożliwiła ustalenie rodziny kilkuletniego chłopca, a rok później przyczyniła się do identyfikacji sprawcę morderstwa w Narborough, Leicestershire. W 1992 r. Alec Jeffreys pomógł też niemieckiej prokuraturze w identyfikacji zwłok dr. Jozefa Mengele, który utonął w Brazylii w 1979 r. Za swoje odkrycia został uhoronowany m.in. nagrodą Alberta Laskera w 2006 r. (Ryc. 1).

Ryc. 1. Sir Alec Jeffreys. Źródło: PLoS Genetics, licencja CC BY 2.5.

Za sprawą Aleca Jeffreysa Wielka Brytania stała się pierwszym krajem, w którym zastosowano analizę DNA w kryminalistyce i dochodzeniu ojcostwa. Na podstawie jego odkryć stworzono Narodową Bazę Danych Zjednoczonego Królestwa (United Kingdom National DNA Database), która jest zarządzana przez Ministerstwo Spraw Wewnętrznych (Home Office). Sam Alec Jeffreys od początku uważał, że rząd nie powinien mieć dostępu do tych danych, i taka baza powinna być utrzymywana przez niezależną instytucję.

Regiony minisatelitarne czyli STR

Ludzki genom liczy ponad 3 miliardy par zasad, i różnice sekwencji między ludźmi są niewielkie. Ale są wyjątki: odkryte przez Aleca Jeffresa regiony minisatelitarne, zwane też krótkimi powtórzeniami tandemowymi (short tandem repeats, STR), są sekwencjami DNA zawierające powtórzenia o długości 2 – 7 par zasad. Liczba powtórzeń może być inna u każdego człowieka. Takie powtórzone sekwensje stanowią 3% ludzkiego genomu, a zdecydowana większość (92%) jest w regionach niekodujących, czyli takich, które nie kodują białek ani RNA. Do niedawna uważano, że jest to tzw. śmieciowe DNA, ale coraz więcej dowodów przemawia za tym, że mogą pełnić różne funkcje regulatorowe.

Regiony zawierające STR mutują o wiele częściej niż inne fragmenty naszego genomu. Skutkiem jest ich duże zróżnicowanie: wiele regionów STR zawiera różną liczbę powtórzeń. Wystarczy wybrać kilka – kilkanaście regionów STR o szczególnie dużym zróżnicowaniu i użyć ich jako „metek” (można je porównać do kodów kreskowych), które są unikalne dla każdego człowieka.

CODIS i ESS

CODIS, czyli Combined DNA Index System, jest amerykańską bazą danych zawierającą dane dotyczące ludzkiego DNA, stworzoną w 1990 r. i utrzymywaną przez FBI. Podobnymi bazami danych dysponują policje w innych krajach. W Europie bazy te tworzy się w ramach zbliżonego do CODIS protokołu European Standard Set of STR (ESS). Przeważnie bazy te zawierają cztery oddzielne zbiory: skazanych za przestępstwa, aresztowanych, osób zaginionych oraz śladów DNA z miejsca przestępstwa. W 2020 r. bazy danych CODIS zawierały profile DNA 14 milionów przestępców, 4 milionów osób aresztowanych i milion śladów z miejsca przestępstwa. W Europie największą bazą danych w stosunku do liczby obywateli dysponuje Wielka Brytania. W 2020 r. liczyła ona 6,6 miliona profili DNA, czyli zawierała profil DNA co dziesiątego obywatela.

Bazy danych CODIS/ESS zawierają od 13 do 16 loci genetycznych (czyli określonych lokalizacji w chromosomach). Wszystkie te loci to STR zawierające powtórzenia o długości 4 par zasad (Ryc. 2).

Ryc. 2. Podstawowe 13 loci krótkich powtórzonych fragmentów (STR) stosowane w bazach CODIS i ESS. TPOX, FGA i VWA to geny kodujące odpowiednio peroksydazę tarczycową, fibrynogen A i czynnik von Willebranda. AMEL to gen kodujący emalogeninę, który służy do określania płci. Pozostałe to regiony zawierające STR na różnych chromosomach (np. D16S539 to region STR nr 539 na chromosomie 16). Źródło: NIST, domena publiczna.

Metody analizy STR

Sekwencje STR można łatwo analizować za pomocą łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR, pisał o tym Piotr Gąsiorowski). Przypuśćmy, że analizujemy STR numer DS7820, który może zawierać od 4 do 15 powtórzeń. Każdy z nas ma dwa allele takiego STR, odziedziczone po każdym z rodziców. Przypuśćmy, że w naszym przypadku powtórzeń jest 4 i 8,  więc po reakcji PCR otrzymamy dwa prążki, odpowiadające 4 i 8 powtórzeniom. Kto inny może mieć np. 5 i 11 powtórzeń, a jeszcze kto inny 6 i 6 (ponieważ oba allele mają 6 powtórzeń) (Ryc. 3).

Ryc. 3. Analiza krótkich powtórzonych fragmentów (STR) za pomocą PCR. Źródło:  Sitnik R. i współpr., Einstein 2006, 4: 127-131. Licencja CC BY 4.0.

Amelogenina mówi nam o płci

Ciekawostką jest gen AMEL, którego polimorfizm wykorzystuje się do określania płci. Gen ten koduje białko o nazwie amelogenina, która odgrywa ważną rolę w syntezie szkliwa zębów. Białko to (wraz z innymi białkami tej rodziny) tworzy nanocząstki zawierające hydroksyapatyt (Ca5(PO4)3(OH)), co powoduje inicjację i wzrost kryształów hydroksyapatytów w czasie mineralizacji szkliwa.

Człowiek ma dwie kopie genu AMEL zlokalizowane na chromosomach X i Y. Te dwie formy genu noszą nazwę odpowiednio AMELX i AMELY. Sekwencje obu genów są bardzo podobne, ale pierwszy intron (czyli ta część genu, która nie koduje białka) w genie AMELX (chromosom X) jest o 6 par zasad krótszy, niż pierwszy intron genu AMELY. Kobiety mają dwa chromosomy X, a mężczyźni jeden chromosom X i jeden chromosom Y. Jeżeli zrobimy reakcję PCR pierwszego intronu genu AMEL, to w przypadku mężczyzny otrzymamy dwa prążki (jeden krótszy o 6 par zasad), a w przypadku kobiety będzie jeden (dłuższy) prążek.

Obecność mutacji w genie AMEL powoduje jednak, że metoda ta nie określa płci ze 100% dokładnością. Zdarzają się mężczyźni z delecją fragmentów pierwszego intronu, co powoduje, że reakcja PCR pokazuje tylko produkt genu z chromosomu X. Dlatego w niejednoznacznych przypadkach stosuje się dodatkowo analizę genu SRY, który koduje białko TDF (testis-determining factor). Jest ono czynnikiem transkrypcyjnym odpowiadającym za powstawanie jąder w okresie życia płodowego. Gen SRY znajduje się na chromosomie Y, który jest obecny tylko u mężczyzn.

Statystyka

Jeżeli uda się określić STR w13 loci, to prawdopodobieństwo znalezienia niespokrewnionej osobie o takim samym układzie STR wynosi 1 na bilion, czyli 10-12. Na świecie żyje ok. 8 miliardów ludzi, czyli 8 x 109. Ziemia musiałoby liczyć 100 razy więcej ludzi, żeby można było natrafić na obcą osobę z takim samym układem STR.

Jeżeli DNA jest dobrze zachowane, to udaje się określić wszystkie STR z “podstawowego” zestawu. Jeżeli DNA jest zdegradowane, to można zastosować inne, dodatkowe STR. Wtedy wszystko zależy od tego, czy w bazie danych jest odpowiednie DNA (chyba, że mamy podejrzanego) (Ryc. 4).

Ryc. 4. Analiza STR z DNA znalezionego na miejscu przestępstwa (włamanie). U podejrzanego 1 tylko jeden STR odpowiada śladowi z miejscu przestępstwa, u podejrzanego 2 wszystkie. Wniosek: to podejrzany 2 jest sprawcą. Źródło: El-Alfy SH i współpr., Eur. J. Gen. Eng. Biotechnol. 2012, 10: 101-112. Licencja CC BY 3.0.

Problemy etyczne i prawne

Pobieranie i przechowywanie próbek DNA stanowi problem etyczny i prawny. Jeżeli czyjś profil DNA jest w bazie danych, to może być sprawdzony w wielu sprawach karnych. Czy jeżeli ktoś został aresztowany za jakiekolwiek wykroczenie, to jego próbka DNA może być dowodem w innej sprawie?

Sprawa S and Marper v Zjednoczone Królestwo

Michael Marper i osoba określana jako Mr. S zostali aresztowani w 2001 r. w Sheffield (Wielka Brytania) za usiłowanie napadu rabunkowego. Zgodnie z prawem Wielkiej Brytanii, pobrano od nich próbki DNA. Uwolniono ich z zarzutów, ale próbki DNA pozostały w bazie danych. Michael Marper i Mr S zwrócili się do sądu o zniszczenie próbek, argumentując, że nie zostali oskarżeni o żadne przestępstwo, są niewinni, a więc ich DNA nie powinno się znajdować w bazie danych razem z DNA przestępców . Kiedy sąd nie przychylił się do ich prośby, odwołali się do Europejskiego Trybunału Praw Człowieka w Strasburgu. Ten w 2008 r jednogłośnie orzekł (orzeczenie ECHR 1581), że pobieranie próbek DNA od osób, które nie są formalnie oskarżone, narusza Artykuł 8 Europejskiej Konwencji Praw Człowieka (o poszanowaniu prawa do życia prywatnego i rodzinnego) i nakazał zniszczenie próbek, a także wypłatę 42 000 Euro odszkodowania. W odpowiedzi brytyjskie Ministerstwo Spraw Wewnętrznych zaproponowało, żeby pobierać próbki DNA od wszystkich aresztowanych, ale przechowywać je tylko w przypadku skazania (pozostałe mają być niszczone). W 2012 r. Izba Gmin przegłosowała Ustawę o Ochronie Wolności (Protection of Freedoms Act of 2012), zgodnie z którą próbki DNA pobrane od osób aresztowanych mają być niszczone w przypadku uniewinnienia.

Sprawa Maryland v King

Alonzo King został aresztowany w Salisbury, Maryland, w 2009 r. za grożenie pistoletem grupie osób. Zgodnie z prawem stanu Maryland (DNA Collection Act), pobrano od niego próbkę DNA. Analiza wykazała, że taki sam profil DNA miał nieustalony sprawca gwałtu w 2003 r. Alonzo King został oskarżony o gwałt i skazany na dożywotnie więzienie. Odwołał się jednak od wyroku, argumentując, że DNA pobrane w jednej sprawie nie może być dowodem w innej. Narusza to Czwartą Poprawkę do Konstytucji Stanów Zjednoczonych, która chroni obywateli przed „bezpodstawnymi przeszukaniami i zatrzymaniami” (unreasonable searches and seizures). Po licznych odwołaniach, w 2013 r. Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych wydał orzeczenie w tej sprawie (Maryland v King, 569 U.S. 435, 2013). Większością 5:4 orzekł, że stan Maryland miał prawo pobrać próbkę DNA, i że ta próbka mogła służyć jako dowód w innej sprawie. Sędzia Joseph Kennedy napisał opinię większości, argumentując, że pobranie DNA nie narusza Czwartej Poprawki, bo służy bezpieczeństwu stanu Maryland, i jest w zasadzie rozwinięciem analizy odcisków palców, którą stosuje się od lat. Sędzia Antonin Scalia w zdaniu odrębnym napisał, że Czwarta Poprawka wyraźnie zabrania policji przeszukiwania podejrzanego w celu znalezienia dowodów na przestępstwo inne niż te, za które został aresztowany. Na tej zasadzie policja mogłaby przeszukiwać domy osób zatrzymanych za przekroczenie prędkości w poszukiwaniu dowodów na handel narkotykami.

Zasady pobierania próbek DNA w USA są różne: w 17 stanach DNA pobiera się od każdego aresztowanego, w 13 od aresztowanych tylko za niektóre przestępstwa, a w 17 wyłącznie od skazanych. Zgodnie z orzeczeniem Sądu Najwyższego, wszystkie te próbki mogą służyć za dowody w każdej sprawie karnej.

Polskie prawo karne

W Polsce profile DNA mogą służyć jako dowody w sprawach karnych i cywilnych. Baza danych DNA jest prowadzona przez Komendanta Głównego Policji. Próbki DNA pobiera się od osób oskarżonych (Art. 74 Kodeksu Postępowania Karnego). Próbki DNA przechowywane są przez 20 lat. W przypadku niektórych przestępstw, próbki DNA przechowuje się przez 35 lat. Należą do nich: przestępstwa przeciw pokojowi i ludzkości, Rzeczpospolitej, obronności, życiu i zdrowiu, bezpieczeństwu powszechnemu (Rozdziały XVI-XX Kodeksu Karnego), przestępstwa przeciw wolności seksualnej i obyczajowości (Rozdział XXV Kodeksu Karnego), przestępstwa przeciw mieniu (Rozdział XXXV Kodeksu Karnego), a także, co ciekawe, kierowanie pojazdem mechanicznym bez odpowiednich uprawnień (Art. 94 § 1 Kodeksu Karnego).

Czy większa liczba profili DNA to większa szansa znalezienia sprawcy?

Podejście do zbierania profili DNA jest różne w różnych krajach. Można je podzielić na restrykcyjne i ekspansywne. Restrykcyjne polega na pobieraniu DNA tylko od podejrzanych o poważne przestępstwa, jak morderstwo czy gwałt. Do krajów tych należą m.in. Belgia, Niemcy, Hiszpania i Polska. Ekspansywne podejście polega na pobieraniu DNA od wszystkich podejrzanych, nawet zatrzymanych za niegroźne przestępstwa. Takie kraje to cytowana Wielka Brytania, a także Finlandia, Litwa, Łotwa i Słowacja. Dlatego bazy DNA w krajach „restrykcyjnych” zawierają mało profili w stosunku do całej populacji (od 0,06% w Rumunii do 0,91%% w Niemczech).  Bazy w krajach „ekspansywnych” są większe: od 1,87% w Austrii do 10,3% w Anglii i Walii (w Szkocji 4,7%). Niekoniecznie przekłada się to jednak na sprawność systemu, który można określić jako stosunek liczby śladów, których pochodzenie udało się określić, do liczby profili DNA w bazie danych. W „restrykcyjnych” krajach sprawność wynosi od 0,001% w Rumunii do 0,3% w Szwecji. W „ekspansywnych” krajach jest to 0,02% w Łotwie i 0,31% w Wielkiej Brytanii. W Polsce w r. 2016 baza profili DNA zawierała dane 28 376 osób (0,07% obywateli). Liczba śladów wynosiła 2483, i w bazie znaleziono 147 sprawców, co oznacza, że sprawność wynosiła 0,0056%.

Przyszłość

Jak widać, profile DNA mogą służyć do ustalenia sprawcy przestępstwa, ale szanse sukcesu nie są duże. Wynika to z niewielkiej liczby profili DNA w bazach danych. Jeżeli sprawca nie popełnił uprzednio żadnego przestępstwa, a w każdym razie nie był aresztowany, to raczej nie figuruje w bazie danych i trudno będzie go namierzyć. I tu wchodzi w grę określanie fenotypu na podstawie DNA (forensic DNA phenotyping), które (kto wie?) stanowi przyszłość kryminalistyki. Czy mając próbkę DNA, możemy przewidzieć wygląd danej osoby? O tym napiszę w następnym odcinku.

Literatura dodatkowa

Regiony minisatelitarne w ludzkim genomie

https://www.nature.com/articles/314067a0

Zastosowanie regionów minisatelitarnych w kryminalistyce

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7444828/

Bazy profili genetycznych w różnych krajach europejskich

https://lsspjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/2195-7819-9-12

 

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Trochę żałuję, że narzuciłem sobie samoograniczenie: z każdej omawianej dyscypliny wybieram tylko cztery odkrycia, które zrobiły na mnie szczególne wrażenie od czasu, kiedy zacząłem się interesować nauką (ponad 50 lat temu). Nauka rozwija się w szaleńczym tempie, co roku rozdawane są Noble, wybór czterech tematów oznacza pominięcie kiluset równie ważnych. Ale trudno: słowo się rzekło – kobyłka u płota; poza tym więcej odkryć nie zmieściłoby się w jednym wpisie. Oto moje cztery czysto subiektywne zaskoczenia chemiczne.

1. Cuda z czystego węgla

Silne i trwałe wiązanie między atomami węgla (C–C), któremy zawdzięczamy nieskończoną różnorodność związków tego pierwiastka oraz istnienie życia na Ziemi, może zdziałać cuda także wówczas, gdy z kompletu klocków tworzących molekuły zabierzemy wszystkie inne pierwiastki i zostawimy sam węgiel. Od dawna znamy dwie odmiany alotropowe węgla, w których atomy uporządkowane są w różny sposób w sieć krystaliczną. Są to grafit i diament. Wyjątkowa łączliwość atomów węgla każe się zastanowić, czy z klocków C nie dałoby się zbudować innych stabilnych struktur. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX w. kilkakrotnie rozważano teoretyczną możliwość istnienia związku C₆₀, złożonego z atomów węgla ułożonych sferycznie w kształt dwudziestościanu ściętego (jak styki łat piłki nożnej). Jednak świat naukowy nie przywiązywał wielkiej wagi do takich spekulacji. Sytuacja zmieniła się w roku 1985, gdy w bezpostaciowych, przypominających sadzę produktach odparowania węgla w atmosferze helowej znaleziono C₆₀, a do tego jeszcze inną, podobną molekułę, C₇₀. Okazało się niebawem, że „piłeczki węglowe” różnej wielkości (C₆₀ ma średnicę rzędu nanometra) nie tylko istnieją, ale powstają w sposób naturalny poza laboratorium, choćby w kopcącym płomieniu lub podczas wyładowań atmosferycznych; znaleziono je też w meteorytach. Charakterystyczne widmo absorpcyjne ujawniło ich obecność nawet w przestrzeni międzygwiezdnej – w mgławicach planetarnych, czyli w otoczkach gazowych odrzucanych przez gwiazdę przekształcającą się w białego karła.

Model związku „endohedralnego″ He@C₆₀, złożonego z fulerenu C₆₀ i zamkniętego wewnątrz niego atomu helu. Naturalne związki tego typu (z uwięzionymi gazami szlachetnymi) znaleziono w meteorytach. Cząsteczka po prawej dolnej stronie (organiczny związek niklu) służy jako miejsce przyczepu pozwalające „przytrzymać″ fuleren. Źródło: Cambridge Crystallographic Data Centre.

Ten nowy typ związków węgla z węglem, tworzących zamknięte struktury wielościenne, nazwano fulerenami.* Mają one fascynujące właściwości chemiczne i mnóstwo zastosowań, ale z braku miejsca wspomnę tylko o tym, że jedno odkrycie prowadzi do następnych. Gdy nauczono się już identyfikować i syntetyzowć fulereny, przyszedł czas na poszukiwanie innych niekonwencjonalnych odmian węgla. Zamiast zwijać sieć atomów C w kuleczkę, można ją zwinąć w rulonik, czyli w powierzchnię walca o dowolnej długości. W ten sposób powstają nanorurki węglowe, odkryte w 1991 r.  Z kolei, jeśli promień sfery dąży do nieskończoności, jej powierzchnia staje się płaska. Na płaszczyźnie można ułożyć sieć atomów węgla o sześciokątnych oczkach, przypominającą kryształ grafitu, ale składającą się z jednej warstwy atomów. Istnienie takiej dwuwymiarowej struktury węgla (którą można uznać za szczególny, graniczny typ fulerenu) podejrzewano od dawna, ale została ona wyizolowana i porządnie opisana dopiero w roku 2004. Nazywamy ją grafenem. Jednoatomowa warstewka węglowego „plastra miodu” została pozyskana w genialnie prosty sposób: zdjęto ją z powierzchni grafitu za pomocą taśmy klejącej. W ostatnich dziesięcioleciach poznano kilka kolejnych odmian węgla (w tym nanopiankę węglową), ale zwłaszcza nanorurki i grafen są substancjami o ogromnej liczbie już rozwiniętych lub potencjalnych zastosowań praktycznych. Odkrycia zarówno fulerenów, jak i grafenu zostały uhonorowane nagrodami Nobla. W pełni zasłużenie, bo popchnęły one chemię węgla, pierwiastka pospolitego i znanego „od zawsze”, w całkiem nowych kierunkach.

2. Kwazikryształy

Kryształ jest to taki sposób uporządkowania atomów, jonów lub molekuł ciała stałego, że tworzą one w skali mikroskopowej trójwymiarowy układ okresowo powtarzalny wzdłuż osi przestrzennych. Najmniejsza powtarzalna jednostka tej struktury to komórka elementarna. Dwuwymiarowym analogiem kryształu jest pokrycie płaszczyzny figurami geometrycznymi w sposób okresowy, czyli taki, że ten sam motyw geometryczny powtarza się w nieskończoność. Na przykład całą płaszczyznę łatwo pokryć szczelnie kafelkami w kształcie trójkątów równobocznych, kwadratów lub sześciokątów foremnych albo np. okresowo powtarzalną kombinacją wszystkich tych trzech typów kafelków, ale nie można szczelnie pokryć płaszczyzny pięciokątami foremnymi. W drugiej połowie XX w. zaczęto odkrywać sposoby pokrycia płaszczyzny za pomocą skończonego zbioru wielokątów w sposób regularny, ale nieokresowy: po dowolnym przesunięciu liniowym wzór nie nakłada się sam na siebie. Pierwsze przykłady takich pokryć były dość skomplikowane, ale w latach siedemdziesiątych Roger Penrose odkrył całą klasę pokryć nieokresowych (jest ich nie tylko nieskończenie, ale nawet nieprzeliczalnie wiele), do których wystarczą dwa czworokąty: „latawiec” i „strzałka”, albo (w innym wariancie) dwa romby o różnych kątach wewnętrznych. Ciekawą właściwością tych pokryć (parkietaży Penrose’a) jest pięcioboczna symetria obrotowa: wzór nakłada się sam na siebie po obrocie o 72° wokół środka symetrii.**

Dwunastościenny kwazikryształ stopu holmu, manganu i cynku (na tle monety jednocentowej). W odróżnieniu od przypominających dwunastościan foremny kryształów pirytu (w którym jednak kąty ścian nie są równe), tu mamy do czynienia z prawdziwą symetrią pięciokątną. Foto: Ames Laboratory, Iowa State University. Źródło: The San Diego Union-Tribune.

Teoretycy zaczęli się zastanawiać, czy mogłyby istnieć także regularne, ale nieokresowe uporządkowania atomów, jonów lub molekuł odpowiadające parkietażom Penrose’a. Na początku lat osiemdziesiątych zdawano już sobie sprawę, że jeśli istnieją, powinny się dać rozpoznać po nietypowych wzorcach dyfrakcji elektronów, wskazujących na symetrię obrotową inną niż trój-, cztero- lub sześciokątna. Pozostałoby to abstrakcyjną ciekawostką teoretyczną, gdyby izraelski chemik Dan Shechtman nie odkrył w 1984 r. substancji dającej wzorzec dyfrakcyjny o symetrii dziesięciokrotnej, „zabronionej” przez klasyczne zasady krystalografii. Był to pierwszy znany kwazikryształ (aperiodyczne uogólnienie pojęcia kryształu), stop glinu z manganem (Al₆Mn). Odkrycie spotkało się z niedowierzaniem dużej części społeczności naukowej, a dwukrotny noblista (chemiczny i pokojowy) Linus Pauling grzmiał publicznie na konferencji naukowej: „Danny Shechtman opowiada bzdury! Nie ma kwazikryształów, są tylko kwazinaukowcy!” Mniej więcej przez trzy lata odkrywca musiał się zmagać z wrogością środowiska, a nawet ostracyzmem. Jednak późniejsze wyniki badań nie tylko w pełni potwierdziły jego odkrycie, ale przyniosły kolejne przykłady kwazikryształów (dziś są ich setki). Za udowodnienie ich istnienia Schechtman sam dostał nagrodę Nobla w 2011 r. Obecnie znamy nawet naturalny minerał kwazikrystaliczny, ikosahedryt (Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃). Trafił on na Ziemię wraz z meteorytem (chondrytem węglowym), którego resztki znaleziono nad rzeką Chatyrką w Górach Koriackich na Syberii.

Kwazikryształy mają interesujące zastosowania praktyczne, może nie tak spektakularne jak nowe formy węgla, ale nie za to je kochamy. Ich odkrycie jest satysfakcjonujące estetycznie i intelektualnie jako przykład głębokich związków matematyki z naukami przyrodniczymi.

3. Międzygwiezdna chemia organiczna

Czasy, gdy związki organiczne uważano za produkty istot żywych otrzymywane za pomocą specjalnej siły życiowej (vis vitalis), odeszły w przeszłość jeszcze w XIX w. Ale złożone związki węgla tak bardzo kojarzą się z życiem, że nadal zaskakuje nas ich występowanie w przyrodzie nieożywionej. Zwłaszcza jeśli chodzi o „cegiełki życia”, czyli komponenty głównych makrocząsteczek, z których zbudowane są komórki organizmów biologicznych: kwasów nukleinowych, białek, glikanów czy lipidów. Nie poznaliśmy dotąd szczegółowego scenariusza abiogenezy, czyli powstania życia na Ziemi, ale każda jego wersja wymaga wcześniejszego istnienia cukrów, zasad azotowych, aminokwasów, kwasów tłuszczowych i innych „klocków Lego”, które mogły się zorganizować w bardziej złożone struktury.

Od czasów eksperymentu Millera–Ureya (1953) wiadomo, że część z tych związków można otrzymać, przeprowadzając wyładowania elektryczne w mieszaninie gazów imitującej domniemany skład atmosfery Ziemi przed miliardami lat. Co prawda dzisiejsza wiedza o warunkach prebiotycznych młodej Ziemi przeczy założeniom Stanleya Millera o atmosferze złożonej głównie z metanu i amoniaku, ale współczesne, bardziej realistyczne eksperymenty tego typu pozwalają uzyskać jeszcze bardziej urozmaicone zestawy „cegiełek życia”. Źródłem tych związków mogły być także spadające na Ziemię komety i meteoryty. W meteorytach znajdowanych i badanych współcześnie odkryto m.in. bogaty zestaw aminokwasów, wszystkie zasady azotowe wchodzące w skład RNA i DNA, a ostatnio także kilka cukrów, w tym rybozę, ważny element strukturalny wielu związków fundamentalnych dla procesów biologicznych (RNA, ADP, ATP). Prawie 50 związków organicznych, w tym aminokwas glicynę, odkryto za pomocą spektrometru masowego ROSINA w atmosferze komety 67P/Czuriumow–Gierasimienko, odwiedzonej prze sondę kosmiczną Rosetta (2014–2016). Jest zatem rzeczą pewną, że synteza dość skomplikowanych związków niezbędnych dla powstania życia mogła zachodzić nie tylko na Ziemi, ale także w materii kosmicznej Układu Słonecznego jeszcze przed uformowaniem się naszej planety.

Fragment Obłoku Molekulernego Byka (TMC-1) sfotografowanego w podczerwieni przez Kosmiczne Obserwatorium Herschela. To jeden z obszarów wyjątkowo bogatych w liczne związki organiczne. Źródło: Europejska Agencja Kosmiczna.

Co więcej, chemia organiczna jest starsza niż Układ Słoneczny. Już  w latach 30. i 40. ubiegłego wieku widma optyczne pobliskich gwiazd ujawniały obecność prostych, dwuatomowych cząsteczek w ośrodku międzygwiezdnym lub otoczkach gazowych gwiazd. Wykryto w ten sposób np. grupę metinową (CH) i nitrylową (CN). Dopiero pod koniec lat 60. i w kolejnych dziesięcioleciach postępy radioastronomii umożliwiły badanie nowych zakresów widma i detekcję w obłokach gazu międzygwiezdnego bardziej skomplikowanych molekuł: amoniaku (NH₃), wody (H₂O), formaldehydu (CH₂O), siarkowodoru (H₂S), tlenku węgla (CO), a nawet metanolu (CH₃OH) i etanolu (C₂H₅OH). Część z nich to związki organiczne mogące być prekursorami jeszcze bardziej skomplikowanej chemii kosmicznej. Jednak prawdziwa eksplozja nowych odkryć nastąpiła w XXI w., a zwłaszcza od roku 2020.*** Zarówno w przestrzeni międzygwiezdnej (także w odległych galaktykach), jak i w obszarach formowania się gwiazd oraz w dyskach protoplanetarnych  otaczających młode gwiazdy zidentyfikowano dotąd ponad 250 związków organicznych, w tym wiele takich, które powszechnie uważane są za „prebiotyczne” (prekursory aminokwasów czy rybozy), a także np. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne. Wyżej wspomniałem już o kosmicznych fulerenach. Dysponując tyloma danymi można się już pokusić o rekonstrukcję szlaków chemicznych prowadzących od najprostszych połączeń atomów do związków niezbędnych dla powstania życia. W każdym razie półprodukty umożliwiające powstanie animokwasów czy zasad azotowych nie musiały czekać na uformowanie się planet. Występują powszechnie we Wszechświecie, nawet w środowiskach z pozoru niegościnnych i w warunkach uważanych za skrajnie surowe.

4. PCR: reakcja, która zmieniła świat

W świecie, w którym uczelnie i instytuty badawcze coraz bardziej przypominają zbiurokratyzowane korporacje, coraz trudniej być szalonym naukowcem, w którego działalności bardziej się liczą chaotyczne błyski indywidualnego geniuszu w nadaktywnym umyśle niż oddanie mrówczej pracy zespołowej i starannej metodologii. Zapewne gdyby takich ekscentryków było zbyt wielu, świat nauki uległby dezintegracji. Ale gdyby nie było ich w ogóle, na niektóre przełomy trzeba by było dłużej poczekać. Życie niedawno zmarłego Kary’ego Mullisa (1944–2019) bardziej przypominało powieść łotrzykowską niż CV naukowca.**** Jego praca doktorska zawierała wątki tak wariackie, że z trudem została zaakceptowana. W dużej mierze wynikało to stąd, że doktorant poszerzał sobie holistyczną percepcję Wszechświata dzięki substancjom psychoaktywnym, które sam potrafił nielegalnie syntetyzować. Po doktoracie Mullis porzucił pracę naukową, żeby po pewnym czasie do niej wrócić. Żył od romansu do romansu i od konfliktu do konfliktu, surfował, nie stronił od alkoholu i LSD, szokował środowisko naukowe swoim niemal programowym negacjonizmem w sprawach takich jak dziura ozonowa, globalne ocieplenie lub HIV/AIDS, a jednocześnie wierzył w astrologię i spotkania z kosmitami. Gdyby dożył pandemii SARS-CoV-2, z pewnością zostałby antyszczepionkowcem pour épater les bourgeois. Krótko mówiąc, był okazem tego, co internet nazywa „szurem”. A jednak w roku 1983 to właśnie Mullis, zaangażowany przez firmę Cetus do badań nad DNA (choć w biologii molekularnej orientował się raczej powierzchownie), w przypływie natchnienia wpadł na pomysł, który w 1993 r. przyniósł mu Nobla, a historię biologii molekularnej, genomiki, diagnostyki medycznej, a nawet kryminalistyki i paleontologii podzielił na epoki „przed” i „po”.

Nowoczesny termocykler. Foto: Rror. Źródło: Wikimedia (licencja CC BY-SA 3.0).

Była to reakcja łańcuchowa polimerazy (polymerase chain reaction), czyli PCR. W wariancie podstawowym wygląda z grubsza tak: bierzemy próbkę reakcyjną, w której skład wchodzi DNA zawierające interesujący nas fragment, mieszanka nukleotydów (z której można złożyć DNA jak tekst z rozsypanych czcionek), dwa tak zwane startery (primery), przedni i wsteczny, czyli – w uproszczeniu – odcinki DNA wskazujące, „odkąd dokąd”  chcemy powielać łańcuch DNA, i enzym zwany polimerazą DNA. Mullis najpierw użył polimerazy pochodzącej od Escherichia coli, ale później wpadł na pomysł, żeby zastąpić go odporną na wysokie temperatury polimerazą Taq (bakterii Thermus aquaticus). Próbkę  wielokrotnie szybko podgrzewamy i schładzamy w urządzeniu zwanym termocyklerem. Dzięki termostabilności enzymu nie musimy ingerować w skład mieszanki. Zachodzi w niej reakcja łańcuchowa: fragment zaznaczony przez startery powiela się w kolejnych cyklach w tempie wykładniczym, choćby nawet początkowo występował w próbce w ilości śladowej. Nie trzeba znać z góry powielanej sekwencji; wystarczy odpowiednio dobrać startery. Chcemy sprawdzić, czy w próbce pobranej od chorego są ślady DNA poszukiwanego patogenu? Chcemy sprawdzić, czy w cebulce włosa znalezionego na miejscu zbrodni występuje DNA podejrzanego? Chcemy namnożyć i złożyć w spójną sekwencję częściowo zdegradowane DNA wyekstrahowane z kości neandertalczyka? Pomoże nam PCR.

Tyle na temat moich chemicznych zaskoczeń. Wybór był trudny, a jeśli ktoś ma inne pomysły na wyróżnienie odkryć ostatnich 50 lat, zapraszam do komentowania.

Przypisy

*) Nazwa fuleren (fullerene) pochodzo od nazwiska architekta Buckminstera Fullera (1895–1983), specjalisty od wznoszenia „kopuł geodezyjnych” o szkielecie złożonym z sześciokątów i pięciokątów podzielonych na trójkąty. Pełna nazwa C₆₀ to buckminsterfullerene.

**) Roger Penrose o swoich parkietażach: https://www.maths.ox.ac.uk/outreach/oxford-mathematics-alphabet/aperiodic-tiles

***) Przegląd najnowszych odkryć w przestrzeni międzygwiezdnej: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2022.787567/full

****) O barwnym życiu Kary’ego Mullisa: https://alumni.berkeley.edu/california-magazine/winter-2019/intolerable-genius-berkeleys-most-controversial-nobel-laureate