ძირითადი მასალა
ბიოლოგია
კურსი: ბიოლოგია > თემა 14
გაკვეთილი 2: დნმ-ის აღმოჩენა- დნმ, როგორც „მატრანსფორმირებელი პრინციპი“
- ჰერში და ჩეიზი: დნმ, როგორც გენეტიკური მასალა
- კლასიკური ექსპერიმენტები: დნმ, როგორც გენეტიკური მასალა
- დნმ-ის ორმაგი სპირალის სტრუქტურის აღმოჩენა
- დნმ-ს სტრუქტურის აღმოჩენა
- დნმ-ის აღმოჩენა
© 2023 Khan Academyგამოყენების პირობებიკონფიდენციალურობის პოლიტიკაშენიშვნა ქუქი-ჩანაწერებზე
კლასიკური ექსპერიმენტები: დნმ, როგორც გენეტიკური მასალა
ფრედერიკ გრიფიტის, ოსვალდ ევერისა და მისი კოლეგების, ალფრედ ჰერშისა და მართა ჩეიზის ექსპერიმენტები.
შესავალი
მემკვიდრეობითობაში დნმ-ის როლის თანამედროვე გაგებას მრავალ პრაქტიკულ გამოყენებას ვუძებნით, მათ შორისაა სასამართლო-სამედიცინო ექსპერტიზა, მამობის დადგენის ტესტი და გენეტიკური სკრინინგი. ამ ფართოდ გავრცელებული გამოყენებების წყალობით, დღეს მრავალ ადამიანს აქვს დნმ-ის შესახებ მცირე წარმოდგენა მაინც.
აქედან გამომდინარე, შესაძლოა, გაგიკვირდეთ, მაგრამ ჯერ კიდევ საუკუნეზე ნაკლების წინ სამეცნიერო საზოგადოების საუკეთესო განათლების მქონე წევრებმაც კი არ იცოდნენ, რომ სწორედ დნმ წარმოადგენდა მემკვიდრეობითობის მასალას!
ამ სტატიაში განვიხილავთ რამდენიმე კლასიკურ ექსპერიმენტს, რომელთა მეშვეობითაც გავარკვიეთ, რომ გენეტიკურ ინფორმაციას ატარებდა დნმ.
ცილა და დნმ
გრეგორ მენდელის შრომამ გვაჩვენა, რომ ნიშან-თვისებები (მაგალითად, ყვავილის ფერი ბარდაში) პირდაპირ არ გადაეცემა მემკვიდრეობით, არამედ განისაზღვრება გენებით, რომლებიც მშობლებისგან შთამომავლობას გადაეცემიან. მე-20 საუკუნეში მოღვაწე სხვა მეცნიერების, მაგალითად, თეოდორ ბოვერის, უოლტერ სატონისა და თომას ჰანტ მორგანის შრომებმა კი აჩვენეს, რომ მენდელის მემკვიდრეობითი ფაქტორები დიდი ალბათობით ქრომოსომებით გადაიცემოდა.
მეცნიერებს თავდაპირველად მიაჩნდათ, რომ ცილები, რომლებიც ქრომოსომებში დნმ-თან ერთად არსებობდა, ის გენეტიკური მასალა აღმოჩნდებოდა, რომელსაც ასე გამალებით ეძებდა ყველა. ცნობილი იყო, რომ ცილებს ჰქონდათ ამინომჟავების სხვადასხვაგვარი მიმდევრობები, დნმ კი მოსაწყენ, ერთფეროვან პოლიმერად მიაჩნდათ, რაც ნაწილობრივ იმით იყო გამოწვეული, რომ იმ დროს მისი სტრუქტურისა და შემადგნელობის მცდარი (მაგრამ პოპულარული) მოდელით ხელმძღვანელობდნენstart superscript, 1, end superscript.
დღეს უკვე ვიცით, რომ დნმ სულაც არ არის ერთფეროვანი და იგი დიდი ოდენობის ინფორმაციას ატარებს, როგორც ამას უფრო დეტალურად განვიხილავთ სტატიაში დნმ-ის სტრუქტურის აღმოჩენის შესახებ. თუმცა როგორ მიხვდნენ მეცნიერები, რომ „მოსაწყენი“ დნმ, სინამდვილეში, გენეტიკური მასალა იყო?
ფრედერიკ გრიფიტი: ბაქტერიული ტრანსფორმაცია
1928 წელს ბრიტანელმა ბაქტერიოლოგმა ფრედერიკ გრიფიტმა ჩაატარა სერია ექსპერიმენტებისა, რომლებშიც მან ბაქტერია Streptococcus pneumoniae და თაგვები გამოიყენა. გრიფიტი ცდილობდა არა გენეტიკური მასალის იდენტიფიცირებას, არამედ პნევმონიის საწინააღმდეგო ვაქცინის შექმნას. თავის ექსპერიმენტებში გრიფიტმა გამოიყენა ბაქტერიების ორი მონათესავე შტამი, R და S.
- R შტამი. პეტრის ჯამში გამოზრდისას R-ბაქტერიები ქმნიდნენ კოლონიებს, ანუ ჯგუფებს მონათესავე ბაქტერიებისა, რომლებსაც კარგად გამოკვეთილი კიდეები და ხორკლიანი ზედაპირი ჰქონდათ (აქედან მოდის აბრევიატურა „R“ — ინგლ. „rough“, ანუ „ხორკლიანი“). R-ბაქტერიები არავირულენტურები იყვნენ, ანუ არ იწვევდნენ დაავადებას, როდესაც ისინი თაგვებში შეყავდათ.
- S შტამი. S-ბაქტერიები ქმნიდნენ კოლონიებს. ისინი მომრგვალებული ფორმისანი იყვნენ და გლუვი ზედაპირები ჰქონდათ (აქედან მოდის აბრევიატურა „S“ — ინგლ. „smooth“, ანუ „გლუვი“). გლუვი ზედაპირი განპირობებული იყო იმ პოლისაქარიდული, ანუ შაქრით შედგენილი, საფარველით, რომელსაც ეს ბაქტერია აწარმოებდა. ეს საფარველი S-ბაქტერიას იცავდა თაგვის იმუნური სისტემისგან, რის გამოც იგი ვირულენტური იყო (შეეძლო დაავადების გამოწვევა). თაგვებს, რომლებშიც ცოცხალი S-ბაქტერიები შეიყვანეს, პნევმონია განუვითარდათ და დაიხოცნენ.
ექსპერიმენტში გრიფიტს თაგვებში სითბოთი დახოცილი S-ბაქტერიები შეყავდა (ანუ ის S-ბაქტერიები, რომლებიც მაღალ ტემპერატურებზე გააცხელეს და უჯრედები დახოცეს). გასაკვირი არაა, რომ სითბოთი დახოცილმა S-ბაქტერიებმა არ გამოიწვიეს დაავადება თაგვებში.
მიუხედავად ამისა, ექსპერიმენტი მოულოდნელად განვითარდა, როდესაც უწყინარი R-ბაქტერიები ასევე უწყინარ, სითბოთი დახოცილ S-ბაქტერიებთან გააერთიანეს და ისე შეიყვანეს თაგვში. თაგვებს არა მხოლოდ განუვითარდათ პნევმონია და დაიხოცნენ, არამედ როდესაც გრიფიტმა სისხლის ნიმუში აიღო მკვდარი თაგვიდან, მან აღმოაჩინა, რომ იგი ცოცხალ S-ბაქტერიებს შეიცავდა!
გრიფიტმა დაასკვნა, რომ R-შტამის ბაქტერიებმა გამოიყენეს სითბოთი დახოცილი S-ბაქტერიების ეგრეთ წოდებული „მატრანსფორმირებელი პრინციპი“, რომლის საშუალებითაც ისინი გლუვი საფარველის მქონე ბაქტერიებად „ტრანსფორმირდნენ“ და ვირულენტურები გახდნენ.
ევერი, მაკ-კარტი და მაკლაუდი: მატრანსფორმირებელი პრინციპის იდენტიფიცირება
1944 წელს კანადელმა და ამერიკელმა მკვლევრებმა, ოსვალდ ევერიმ, მაკლინ მაკ-კარტიმ და კოლინ მაკლაუდმა, გადაწყვიტეს, გაერკვიათ, თუ რა წარმოადგენდა გრიფიტის „მატრანსფორმირებელ პრინციპს“.
ამის გასაკეთებლად მათ გამოიყენეს სითბოთი მოკლული S უჯრედების დიდი კულტურები და ბიოქიმიური ნაბიჯების (რომლებიც გულმოდგინე ექსპერიმენტირებით შეირჩა) ხანგრძლივ სერიაში თანდათანობით გაცხრილეს, გამოაცალკევეს და ფერმენტების მეშვეობით გაანადგურეს უჯრედის სხვა კომპონენტები, რათა მხოლოდ მატრანსფორმირებელი პრინციპი დაეტოვებინათ. ამ მეთოდით მათ მოახერხეს, მოეპოვებინათ მატრანსფორმირებელი პრინციპის მცირე ოდენობა სუფთა სახით, შემდეგ ტესტების გამოყენებით გაეანალიზებინათ იგი და გაერკვიათ მისი იდენტობაsquared.
რამდენიმე რიგმა მტკიცებულებისა ევერისა და მის კოლეგებს აფიქრებინა, რომ მატრანსფორმირებელი პრინციპი, შესაძლოა, დნმ იყოsquared:
- მიღებულმა გასუფთავებულმა სუბსტანციამ უარყოფითი შედეგი აჩვენა იმ ქიმიურ ტესტებში, რომლებიც ცილების აღმოსაჩენად იყო განპირობებული, თუმცა დნმ-ის აღმოსაჩენად განკუთვნილ ქიმიურ ტესტებში მას ძლიერ დადებითი შედეგი ჰქონდა.
- გასუფთავებული მატრანსფორმირებელი პრინციპის ელემენტების შემცველობა, კერძოდ კი, აზოტისა და ფოსფორის თანაფარდობა, ძალიან ჰგავდა დნმ-ისას.
- ცილებისა და რნმ-ის დამშლელ ფერმენტებს მცირე ეფექტი ჰქონდა მატრანსფორმირებელ პრინციპზე, თუმცა იმ ფერმენტებმა, რომლებსაც დნმ-ის დაშლა შეეძლო, მატრანსფორმირებელ აქტივობას ბოლო მოუღო.
ყველა ეს შედეგი მიუთითებდა, რომ სწორედ დნმ იყო მატრანსფორმირებელი პრინციპი. მიუხედავად ამისა, ევერი ფრთხილობდა შედეგების ინტერპრეტირებას. იგი ხვდებოდა, რომ ჯერ კიდევ იყო შესაძლებელი, რომ მცირე ოდენობით შემორჩენილი რაიმე სხვა, დამაბინძურებელი სუბსტანცია აღმოჩენილიყო ნამდვილი მატრანსფორმირებელი პრინციპი და არა — დნმcubed.
ამ შესაძლებლობის გამო დებატები დნმ-ის როლთან დაკავშირებით 1952 წლამდე გაგრძელდა, როდესაც ალფრედ ჰერშიმ და მართა ჩეიზმა სხვა მიდგომა გამოიყენეს, რათა საბოლოოდ გამოერკვიათ, რომ სწორედ დნმ წარმოადგენდა გენეტიკურ მასალას.
ჰერში-ჩეიზის ექსპერიმენტები
თავიანთ, დღეისთვის ლეგენდარულ ექსპერიმენტებში ჰერშიმ და ჩეიზმა შეისწავლეს ბაქტერიოფაგი, ანუ ვირუსი, რომელიც ბაქტერიას უტევს. ფაგები, რომლებიც მათ გამოიყენეს, წარმოადგენდნენ ცილისა და დნმ-ისგან შედგენილ პატარა ნაწილაკებს: მათი გარეგანი სტრუქტურა ცილისგან იყო აგებული, შიდა ნაწილი კი დნმ-ს შეიცავდა.
ჰერშიმ და ჩეიზმა იცოდნენ, რომ ფაგები მასპინძელი ბაქტერიული უჯრედის ზედაპირს ეკრობოდნენ და მასში რაღაც ნივთიერება (დნმ ან ცილა) შეჰყავდათ. ეს ნივთიერება გასცემდა „ინსტრუქციებს“, რომლებიც მასპინძელ ბაქტერიას აიძულებდა, წარმოექმნა უფრო და უფრო მეტი ფაგი — სხვაგვარად თუ ვიტყვით, იგი იყო ფაგის გენეტიკური მასალა. ექსპერიმენტამდე ჰერში ფიქრობდა, რომ ეს გენეტიკური მასალა ცილა აღმოჩნდებოდაstart superscript, 4, end superscript.
იმის უკეთ გამოსარკვევად, ფაგს მასპინძელ ბაქტერიაში დნმ შეყავდა თუ ცილა, ჰერშიმ და ჩეიზმა მოამზადეს ფაგების ორი განსხვავებული ჯგუფი. თითოეულ ჯგუფში ფაგები იწარმოებოდა სპეციფიკური რადიოაქტიური ელემენტის თანაობით, რომლებიც ჩადებული იყო იმ მაკრომოლეკულებში (დნმ-ში ან ცილაში), რომლებისგანაც შედგებოდა ფაგი.
- ერთი შერჩევა იწარმოებოდა გოგირდის რადიოაქტიური იზოტოპის, start superscript, 35, end superscript, start text, S, end text-ის, თანაობისას. გოგირდი მრავალ ცილაში გვხვდება და იგი არ არის დნმ-ში, ამიტომ ამ გზით მხოლოდ ფაგის ცილები მოინიშნა რადიოაქტიურად.
- მეორე შერჩევა იწარმოებოდა ფოსფორის რადიოაქტიური იზოტოპის, start superscript, 32, end superscript, start text, P, end text-ის, თანაობისას. ფოსფორი დნმ-ში გვხვდება და იგი არ არის ცილებში, ამიტომ ამ გზით მხოლოდ ფაგის დნმ (და არა — ფაგის ცილები) მოინიშნა რადიოაქტიურად.
ფაგების თითოეული ჯგუფი გამოიყენეს ბაქტერიების განსხვავებული კულტურების ინფიცირებისთვის. ინფიცირების შემდეგ თითოეული კულტურა დაატრიალეს ბლენდერში, რითიც ბაქტერიული უჯრედებიდან გამოიტანეს დარჩენილი ფაგები და მათი ნაწილები. საბოლოოდ, კულტურები მოათავსეს ცენტრიფუგაში და მაღალი სიჩქარით დაატრიალეს, რათა გამოეცალკევებინათ ფაგების ნარჩენები და ბაქტერიები.
ცენტრიფუგირებისას უფრო მძიმე მასალა, მაგალითად, ბაქტერიები, სინჯარის ფსკერისკენ გადადის და ქმნის გუნდას, რომელსაც ეწოდება ნალექი. უფრო მსუბუქი მასალა, მაგალითად, კულტურების გამოსაზრდელად გამოყენებული საკვები არე („წვნიანი“), ასევე ფაგები და მათი ნაწილები, სინჯარის ზედა ნაწილში რჩება და ქმნის თხევად შრეს, რომელსაც სუპერნატანტი ეწოდება.
როდესაც ჰერშიმ და ჩეიზმა გაზომეს რადიოაქტიურობა ნალექსა და სუპერნატანტში ორივე ექსპერიმენტისთვის, მათ აღმოაჩინეს, რომ ნალექში იყო start superscript, 32, end superscript, start text, P, end text-ს დიდი ოდენობა, როცა start superscript, 35, end superscript, start text, S, end text-ს უდიდესი ნაწილი სუპერნატანტში აღმოჩნდა. ამ და სხვა მსგავსი ექსპერიმენტებით ჰერშიმ და ჩეიზმა დაასკვნეს, რომ ბაქტერიოფაგებს მასპინძელ უჯრედებში დნმ შეყავდათ და სწორედ იგი წარმოადგენდა ფაგის გენეტიკურ მასალას და არა — ცილა.
დარჩენილი კითხვები
მკვლევართა ამ ზემოთ მოყვანილმა შრომამ მოგვცა ძლიერი მტკიცებულება იმისა, რომ დნმ იყო გენეტიკური მასალა. მიუხედავად ამისა, ჯერ კიდევ არ იყო გასაგები, როგორ შეეძლო ამ, ერთი შეხედვით, მარტივ მოლეკულას იმ გენეტიკური ინფორმაციის დაშიფვრა, რომელიც კომპლექსური ორგანიზმის ასაგებად იყო საჭირო.
მრავალმა მეცნიერმა, მათ შორის ერვინ ჩარგაფმა, ჯეიმზ უოტსონმა, ფრენსის კრიკმა და როზალინდ ფრანკლიმა, დამატებითი კვლევები აწარმოა, რომელთა მეშვეობითაც აღმოვაჩინეთ დნმ-ის სტრუქტურა და გავარკვიეთ, თუ როგორ შეუძლია დნმ-ს ასეთი დიდი ოდენობის ინფორმაციის დაშიფვრა.
გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?
გრიფითის ექსპერიმენტი(1 მოწონება)