de opmerkelijke eigenschappen van de nucleïnezuren, waardoor deze stoffen als dragers van genetische informatie kunnen dienen, hebben de aandacht van vele onderzoekers getrokken. Het grondwerk werd gelegd door pionier biochemici die vonden dat nucleïnezuren lange ketenachtige moleculen zijn, waarvan de backbones bestaan uit herhaalde opeenvolgingen van fosfaat en suikerverbindingen—ribosesuiker in RNA en deoxyribosesuiker in DNA. Verbonden aan de suikerverbindingen in de ruggengraat zijn twee soorten stikstofhoudende basen: purines en pyrimidines. De purines zijn adenine (A) en guanine (G) in zowel DNA als RNA; de pyrimidines zijn cytosine (C) en thymine (T) in DNA en cytosine (C) en uracil (u) in RNA. Een enkele purine of pyrimidine is verbonden aan elke suiker, en de volledige fosfaat-suiker-base subeenheid wordt een nucleotide genoemd. De nucleïnezuren die uit verschillende soorten dieren en planten worden geëxtraheerd hebben verschillende verhoudingen van de vier nucleotiden. Sommigen zijn relatief rijker aan adenine en thymine, terwijl anderen meer guanine en cytosine hebben. Biochemicus Erwin Chargaff ontdekte echter dat de hoeveelheid A altijd gelijk is aan T, en de hoeveelheid G altijd gelijk is aan C.

met de algemene acceptatie van DNA als de chemische basis van erfelijkheid in de vroege jaren 1950, richtten veel wetenschappers zich op het bepalen hoe de stikstofhoudende basen in elkaar passen om een draadvormig molecuul te vormen. De structuur van DNA werd in 1953 bepaald door de Amerikaanse geneticus James Watson en de Britse biofysicus Francis Crick. Watson en Crick baseerden hun model grotendeels op het onderzoek van de Britse natuurkundigen Rosalind Franklin en Maurice Wilkins, die röntgendiffractiepatronen analyseerden om aan te tonen dat DNA een dubbele helix is. De bevindingen van Chargaff stelden Watson en Crick voor dat adenine op de een of andere manier met thymine in paren werd gerangschikt en dat guanine met cytosine in paren werd gerangschikt.met behulp van deze informatie kwamen Watson en Crick met hun inmiddels beroemde model dat DNA toont als een dubbele helix die bestaat uit twee onderling verweven nucleotiden, waarin de adenines van de ene keten verbonden zijn met de thyminen van de andere, en de guanines in de ene keten verbonden zijn met de cytosines van de andere. De structuur lijkt op een ladder die in een spiraalvorm is gedraaid: de zijkanten van de ladder bestaan uit suiker-en fosfaatgroepen en de sporten bestaan uit de gepaarde stikstofhoudende basen. Door een draadmodel van de structuur te maken, werd duidelijk dat de enige manier waarop het model kon voldoen aan de eisen van de moleculaire dimensies van DNA was als a altijd gepaard ging met T en G met C; in feite vertoonden de A-T en G-C paren een bevredigende lock-and-key pasvorm. Hoewel de meeste bindingen in DNA sterke covalente bindingen zijn, zijn de A-T-en G-C-bindingen zwakke waterstofbindingen. Nochtans, verlenen de veelvoudige waterstofbanden langs het centrum van de molecule voldoende stabiliteit om de twee bundels samen te houden.

De twee strengen van Watson en Crick ‘ s dubbele helix waren antiparallel; dat wil zeggen, de nucleotiden waren gerangschikt in tegengestelde richting. Dit kan worden gevisualiseerd als de L-vorm van een nucleotide wordt voorgesteld als een sok: de nek van de sok is de stikstofhoudende base, de teen is de fosfaatgroep, en de hiel is de suikergroep. De nucleotideketen zou dan een koord van sokken in bijlage hiel aan teen zijn, met de halzen die naar binnen naar het centrum van het molecuul van DNA wijzen. In de ene streng zou de opstelling van de suiker-fosfaat backbone teen-hiel-teen-Hiel en ga zo maar door zijn, en in de andere streng in dezelfde richting zou de opstelling hiel-teen-hiel-teen zijn. Chemisch gezien is de hiel het 3 ‘- hydroxyl uiteinde en de teen het 5 ‘ – fosfaat uiteinde. (Deze namen zijn afgeleid van de koolstofatomen waardoor de suiker-fosfaatverbinding wordt gemaakt.) Daarom loopt één DNA-streng vanaf 5′ → 3′ (vijf priemgetallen tot drie priemgetallen), terwijl de andere vanaf 3’ → 5’loopt.Watson en Crick merkten op dat hun voorgestelde DNA-structuur voldeed aan twee noodzakelijke kenmerken van een erfelijke molecule. Eerst, moet een erfelijke molecule van replicatie kunnen zijn zodat de informatie aan de volgende generatie kan worden doorgegeven; daarom veronderstelden Watson en Crick dat als de twee helften van de dubbele helix zouden kunnen scheiden, ze zouden kunnen fungeren als sjablonen voor de synthese van twee identieke dubbele helixen. Ten tweede moet een erfelijke molecule informatie bevatten om de ontwikkeling van een compleet organisme te begeleiden; daarom speculeerden Watson en Crick dat de opeenvolging van nucleotiden gecodeerde informatie van dit soort zou kunnen vertegenwoordigen. Later onderzoek toonde aan dat hun speculaties op beide punten juist waren.