Le notevoli proprietà degli acidi nucleici, che qualificano queste sostanze come portatori di informazioni genetiche, hanno attirato l’attenzione di molti ricercatori. Le basi sono state poste da biochimici pionieri che hanno scoperto che gli acidi nucleici sono molecole a catena lunga, le cui dorsali consistono in sequenze ripetute di legami di fosfato e zucchero—zucchero ribosio nell’RNA e zucchero desossiribosio nel DNA. Attaccato ai collegamenti di zucchero nella spina dorsale sono due tipi di basi azotate: purine e pirimidine. Le purine sono adenina (A) e guanina (G) sia nel DNA che nell’RNA; le pirimidine sono citosina (C) e timina (T) nel DNA e citosina (C) e uracile (U) nell’RNA. Una singola purina o pirimidina è attaccata a ciascun zucchero e l’intera subunità fosfato-zucchero-base è chiamata nucleotide. Gli acidi nucleici estratti da diverse specie di animali e piante hanno proporzioni diverse dei quattro nucleotidi. Alcuni sono relativamente più ricchi di adenina e timina, mentre altri hanno più guanina e citosina. Tuttavia, è stato trovato dal biochimico Erwin Chargaff che l’importo di A è sempre uguale a T, e la quantità di G è sempre uguale a C.

Con l’accettazione generale del DNA come la chimica di base dell’ereditarietà nei primi anni 1950, molti scienziati rivolto la loro attenzione a determinare come le basi azotate si incastrano per formare un filo che la molecola. La struttura del DNA è stata determinata dal genetista americano James Watson e dal biofisico britannico Francis Crick nel 1953. Watson e Crick hanno basato il loro modello in gran parte sulla ricerca dei fisici britannici Rosalind Franklin e Maurice Wilkins, che hanno analizzato i modelli di diffrazione dei raggi X per dimostrare che il DNA è una doppia elica. I risultati di Chargaff suggerirono a Watson e Crick che l’adenina era in qualche modo accoppiata con la timina e che la guanina era accoppiata con la citosina.

Usando queste informazioni, Watson e Crick hanno inventato il loro ormai famoso modello che mostra il DNA come una doppia elica composta da due catene intrecciate di nucleotidi, in cui le adenine di una catena sono collegate alle timine dell’altra e le guanine in una catena sono collegate alle citosine dell’altra. La struttura ricorda una scala che è stata attorcigliata in una forma a spirale: i lati della scala sono composti da gruppi di zucchero e fosfato e i pioli sono costituiti dalle basi azotate accoppiate. Realizzando un modello a filo della struttura, divenne chiaro che l’unico modo in cui il modello poteva essere conforme ai requisiti delle dimensioni molecolari del DNA era se A sempre accoppiato con T e G con C; infatti, le coppie A-T e G-C mostravano una soddisfacente vestibilità lock-and-key. Anche se la maggior parte dei legami nel DNA sono forti legami covalenti, i legami A-T e G-C sono legami idrogeno deboli. Tuttavia, più legami idrogeno lungo il centro della molecola conferiscono sufficiente stabilità per tenere insieme i due trefoli.

I due filamenti della doppia elica di Watson e Crick erano antiparalleli; cioè, i nucleotidi erano disposti in orientamento opposto. Questo può essere visualizzato se la forma a L di un nucleotide è immaginata come un calzino: il collo del calzino è la base azotata, la punta è il gruppo fosfato e il tallone è il gruppo zuccherino. La catena nucleotidica sarebbe quindi una serie di calzini attaccati tallone alla punta, con i colli che puntano verso l’interno verso il centro della molecola di DNA. In un filo la disposizione della spina dorsale zucchero-fosfato sarebbe punta-tallone-punta-tallone e così via, e nell’altro filo nella stessa direzione la disposizione sarebbe tallone-punta-tallone-punta. Chimicamente, il tallone è l’estremità 3 ‘- idrossile e la punta è l’estremità 5 ‘ – fosfato. (Questi nomi derivano dagli atomi di carbonio attraverso i quali viene realizzato il legame zucchero-fosfato.) Pertanto, un filamento di DNA va da 5 ‘→ 3′ (da cinque primi a tre primi), mentre l’altro va da 3′ → 5’.

Watson e Crick hanno notato che la loro struttura del DNA proposta soddisfaceva due caratteristiche necessarie di una molecola ereditaria. In primo luogo, una molecola ereditaria deve essere in grado di replicarsi in modo che le informazioni possano essere trasmesse alla generazione successiva; pertanto, Watson e Crick hanno ipotizzato che, se le due metà della doppia elica potessero separarsi, potrebbero fungere da modelli per la sintesi di due doppie eliche identiche. In secondo luogo, una molecola ereditaria deve contenere informazioni per guidare lo sviluppo di un organismo completo; pertanto, Watson e Crick hanno ipotizzato che la sequenza di nucleotidi potrebbe rappresentare informazioni codificate di questo tipo. Ricerche successive hanno dimostrato che le loro speculazioni su entrambi i punti erano corrette.