Główna zawartość
Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 14
Lekcja 2: Odkrycie DNAKlasyczne eksperymenty: DNA jako materiał genetyczny
Eksperymenty Fredericka Griffitha, Oswalda Averyego i ich współpracowników oraz Alfreda Hersheya i Marthy Chase. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".
Wprowadzenie
Nasze nowoczesne rozumienie roli DNA w dziedziczeniu, prowadzi do różnorodności praktycznych zastosowań, w tym analizy dowodów policyjnych, testów na ojcostwo i przesiewowych badań genetycznych. Dzięki tym szerokim zastosowaniom, dzisiaj wiele ludzi ma przynajmniej podstawową znajomość DNA.
Może być zaskakujące, kiedy zdamy sobie sprawę, że mniej niż 100 lat temu, nawet najbardziej wykształcony członek naukowej społeczności nie wiedział, że DNA jest materiałem dziedzicznym!
W tym artykule spojrzymy na niektóre klasyczne eksperymenty, które prowadziły do identyfikacji DNA jako nośnika informacji genetycznej.
Białko vs. DNA
Praca Grzegorza Mendla pokazała, że cechy (takie jak kolor kwiatów) nie były dziedziczone bezpośrednio, ale raczej, były określane przez geny przekazywane od rodziców do potomstwa. Praca kolejnych naukowców około przełomu XX wieku, w tym Theodora Boveri, Waltera Suttona i Thomasa Hunta Morgana, dowiodła, że dziedziczne czynniki Mendla były najprawdopodobniej przenoszone na chromosomach.
Naukowy na początku myśleli, że białka, które są znajdywane na chromosomach wzdłuż DNA, miały okazać się poszukiwanym materiałem genetycznym. Białka były znane z tego, że mają różnorodność sekwencji aminokwasowych, podczas gdy DNA było uważane za nudny, powtarzalny polimer, zawdzięczając to nieprawidłowemu (ale popularnemu) modelowi jego struktury i składu
Dzisiaj, wiemy, że DNA nie jest w rzeczywistości powtarzalne i może nieść wielką ilość informacji, co przedstawimy dalej w artykule o odkryciu struktury DNA. Ale jak naukowcy po raz pierwszy zdali sobie sprawę, że "nudne" DNA może rzeczywiście być materiałem genetycznym?
Frederick Griffith: Transformacja bakterii
W 1928 roku, brytyjski bakteriolog Frederick Griffith przeprowadził serię eksperymentów wykorzystując bakterię Streptococcus pneumoniae i myszy. Griffith nie próbował zidentyfikować materiału genetycznego, ale raczej próbował stworzyć szczepionkę przeciwko zapaleniu płuc. W jego eksperymentach, Griffith używał dwóch pokrewnych szczepów bakterii, znanych jako R i S.
- Szczep R. Kiedy rósł na szalce Petriego, szczep R formował kolonie lub grudki bakterii, które miały dobrze zaznaczone krawędzie i chropowaty wygląd (stąd skrót "R" od ang rough). Bakterie R były niewirulentne, co znaczy, że nie powodowały choroby, kiedy były wszczepiane do myszy.
- Szczep S. Bakterie S formowały kolonie, które były okrągłe i gładkie (stąd skrót "S" od ang. smooth). Gładki wygląd był spowodowany polisacharydem, czyli okrywą na bazie cukrów, wytwarzaną przez bakterię. Ta okrywa chroniła szczep S przed układem immunologicznym myszy, nadając jej wirulencję (zdolność wywoływania choroby). Myszy zaszczepione żywym szczepem S rozwinęły zapalenie płuc i umarły.
Jako część tego eksperymentu, Griffith próbował wstrzyknąć myszy termicznie zabitą bakterię (to znaczy, szczep S, który wcześniej został podgrzany do wysokiej temperatury, powodując śmierć komórek). Jak można było się spodziewać, termicznie zabity szczep S nie spowodował choroby u myszy.
Eksperyment przybrał nieoczekiwany obrót, kiedy nieszkodliwy szczep R bakterii został połączony z nieszkodliwym, termicznie zabitym szczepem S bakterii i wstrzyknięty do myszy. Nie tylko myszy rozwinęły zapalenie płuc i umarły, ale kiedy Griffith pobrał próbkę krwi od martwej myszy, dowiedział się, że zawierała ona żyjący szczep R bakterii!
Griffith uznał, że szczep R bakterii musiał przyjąć coś, co nazwał "cząstką transformującą", od termicznie zabitych bakterii szczepu S, która pozwoliła im na "transformację" w gładkootoczkowe bakterie stanie się wirulentnymi.
Avery, McCarty i MacLeod: Identyfikacja czastki transformującej
W 1944, trzech kanadyjskich i amerykańskich naukowców, Oswald Avery, Maclyn McCarty i Colin MacLeod, postanowili zidentyfikować "transformującą cząstkę" Griffith'a.
Aby to zrobić, rozpoczęli od wielkiej hodowli termicznie zinaktywowanych komórek i poprzez długą serię biochemicznych etapów (określonych przez uważne badanie), stopniowo oczyszczali transformującą cząstkę przez wymywanie, oddzielanie lub inaktywację enzymatyczną innych składników komórki. Dzięki tej metodzie, byli w stanie uzyskać małe ilości bardzo czystej cząstki transformującej, która mogła później zostać przeanalizowana w innych testach, aby ją zidentyfikować
Kilka serii dowodów sugerowało Avery'emu i jego współpracownikom, że cząstką transformującą może być DNA
- Oczyszczona substancja dała wynik negatywny w znanych testach chemicznych do wykrywania białek, ale silny pozytywny w znanych testach chemicznych do wykrywania DNA.
- Ta podstawowa kompozycja oczyszczonej cząstki transformującej bardzo przypominała DNA w swym stosunku azotu i fosforu.
- Enzymy degradujące białka i RNA miały mały efekt na cząstkę transformującą, ale enzymy były zdolne do degradacji DNA, co niwelowało aktywność transformującą.
Wszystkie te wyniki wskazywały na to, że DNA jest prawdopodobnie cząstką transformującą. Jednakże Avery był ostrożny w interpretowaniu jego wyników. Zdał sobie sprawę, że było nadal możliwe, że niektóre zanieczyszczenia, obecne w niewielkich ilościach, nie DNA, były w rzeczywistości cząstką transformującą
Z powodu tej możliwości, dyskusja o roli DNA była kontynuowana do 1952 roku, kiedy Alfred Hershey i Martha Chase użyli innego podejścia, aby jednoznacznie zidentyfikować DNA jako materiał genetyczny.
Eksperymenty Hershey'a i Chase'a
W ich obecnie legendarnych eksperymentach, Hershey i Chase badał bakteriofagi, czyli wirusy, które atakują bakterie. Fagi, które wykorzystywali, były prostymi cząstkami zbudowanymi z białka i DNA, z zewnętrznymi strukturami zbudowanymi z białka i wewnętrznym rdzeniem zawierającym DNA.
Hershey i Chase wiedzieli, że fagi przyłączały się do powierzchni bakteryjnego gospodarza i wstrzykiwały substancję (albo DNA albo białko) do gospodarza. Ta substancja dawała "instrukcję", która powodowała, że komórka gospodarz zaczynała wytwarzać bardzo wiele fagów - innymi słowy, był to fagowy materiał genetyczny. Przed eksperymentem, Hershey myślał, że materiał genetyczny okaże się białkiem
Aby ustalić, czy fag wstrzyknął DNA lub białko do bakterii gospodarza, Hershey i Chase przygotowali dwie różne hodowle faga. W każdej z nich, fag był produkowany w obecności specjalnego, radioaktywnego elementu, który był włączany do makromolekuł (DNA i białka), które tworzyły faga.
- Jedna próbka była otrzymywana w obecności
- Inna próbka była otrzymywana w obecności
Każda hodowla faga była używana do infekcji różnych kultur bakterii. Po przejściu infekcji, każda z nich była zwirowywana w blenderze, tym samym usuwając jakiekolwiek pozostające fagi i części fagów z zewnątrz komórek bakteryjnych. Ostatecznie, kultury były zwirowywane przy szybkich obrotach, aby oddzielić bakterie od cząstek fagowych.
Wirowanie powoduje, że cięższy materiał, taki jak bakterie, przemieszcza się na spód probówki i tworzy grudkę nazywaną pelletem. Lżejszy materiał, taki jak medium (pożywka) wykorzystywana do hodowli, wraz z fagiem i częściami faga, pozostaje na górze probówki i tworzy płynną warstwę nazywaną supernatantem.
Kiedy Hershey i Chase zmierzyli radioaktywność w pellecie i supernatancie z obu ich eksprymentów, stwierdzili, że duża ilość
Pozostałe pytania
Praca powyższych naukowców dostarczyła mocnych dowodów na to, że DNA jest materiałem genetycznym. Jednakże nadal nie było jasne jak tak pozornie prosta cząsteczka może kodować materiał genetyczny niezbędny do budowania złożonego organizmu.
Dodatkowe badania wielu naukowców, w tym Erwina Chargaff'a, Jamesa Watson'a, Francisa Crick'a i Rosalind Franklin, doprowadziły do odkrycia struktury DNA, wyjaśniając jak DNA może kodować wielką ilość informacji.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji