If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

თუ ვებფილტრს იყენებთ, დარწმუნდით, რომ *.kastatic.org და *.kasandbox.org დომენები არ არის დაბლოკილი.

ძირითადი მასალა

დნმ-ის რეპლიკაციის წესი: მესელსონ-სტალის ექსპერიმენტი

უმნიშვნელოვანესი ისტორიული ექსპერიმენტი, რომლითაც დნმ-ის რეპლიკაციის ნახევრად კონსერვატიული ბუნება დადგინდა.

საკვანძო საკითხები:

  • არსებობდა სამი მოდელი იმისა, თუ როგორ ხდებოდა ორგანიზმებში დნმ-ის რეპლიკაცია: ნახევრად კონსერვატიული, კონსერვატიული და დისპერსიული.
  • ნახევრად კონსერვატიული მოდელი, რომელის თანახმადაც დნმ-ის თითოეული ჯაჭვი ნიმუშად გამოიყენება ახალი, კომპელემენტარული ჯაჭვების ასაგებად, თითქოს ყველაზე უკეთ შეესაბამებოდა დნმ-ის სტრუქტურას.
  • ამ მოდელების სისწორე მესელსონმა და სტალმა შეამოწმეს. მათ ბაქტერიების რამდენიმე თაობის დნმ აზოტის იზოტოპებით მონიშნეს.
  • მიღებული შედეგების წყალობით მესელსონმა და სტალმა დაადასტურეს, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიულია.

დნმ-ის რეპლიკაციის მექანიზმი

წარმოიდგინეთ რომ 1953 წელში ხართ და დნმ-ის ორმაგსპირალიანი სტრუქტურა ახლახანს აღმოაჩინეს1 რა შეკითხვებით შეიძლება გქონდეთ სავსე თავები თქვენც და სხვა მეცნიერებსაც?
ერთი დიდი შეკითხვა დნმ-ის რეპლიკაციას ეხებოდა. დნმ-ის ორჯაჭვიანი, სპირალური სტრუქტურის აღმოჩენამ მეცნიერებს ახალი, მტანჯველად საინტერესო მინიშნება მისცა რეპლიკაციის პროცესის შესახებ1,2 დაიბადა ლოგიკური იდეა, რომ შესაძლოა, ეს ჯაჭვები რეპლიკაციის პროცესში ერთმანეთს შორდებოდა და თითოეულ მათგანზე ახალი, შესაბამისი ჯაჭვი ეწყობოდა.
მაგრამ რამდენად სწორი იყო ეს ვარაუდი? წინასწარ გეტყვით: სწორი იყო! ამ სტატიაში გავეცნობით ცნობილ ცდას, რომელსაც ზოგჯერ „ბიოლოგიის ყველაზე მშვენიერ ექსპერიმენტსაც" უწოდებენ ხოლმე. მისი მეშვეობით დამტკიცდა, რომ დნმ-ის რეპლიკაციის მექანიზმი ნახევრად კონსერვატიულია - ანუ, შედეგად მიღებული დნმ-ის ორივე მოლეკულაში ერთი ჯაჭვი ძველია, მეორე კი - ახალი3.

დნმ-ის რეპლიკაციის სამი მოდელი

დნმ-ის სტრუქტურის აღმოჩენის შემდეგ სამეცნიერო საზოგადოებაში რეპლიკაციის სამი სავარაუდო მოდელი წამოაყენეს. ისინი ქვედა დიაგრამაზეა წარმოდგენილი:
დნმ-ის რეპლიკაციის მოდელების სქემა:
  1. კონსერვატიული. რეპლიკაციის შედეგად წარმოიქმნილი ერთი სპირალი მთლიანად ძველი დნმ-ია, მეორე კი - ახალი.
  2. ნახევრად კონსერვატიული. რეპლიკაციის შედეგად წარმოიქმნება ორი სპირალი და მათგან თითოეული დნმ-ის ერთ ძველ და ერთ ახალ ჯაჭვს შეიცავს.
  3. დისპერსიული. რეპლიკაციის შედეგად მიღებული ორივე სპირალი ძველი და ახალი დნმ-ის „ნაწილებითაა" აწყობილი.
_შეცვლილი სურათი აღებულია „დნმ-ის რეპლიკაციის საფუძვლები: სურათი 1," მფლობელი ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0)._
  • ნახევრად კონსერვატიული რეპლიკაცია. ამ მოდელის თანახმად დნმ-ის ორჯაჭვიანი სპირალი იშლება და თითოეულ მათგანზე ახალი, კომპლემენტარული ჯაჭვი იწყობა. შედეგად მიიღება დნმ-ის ორი მოლეკულა, რომლებშიც ერთი ჯაჭვი ძველია, მეორე კი - ახალი.
  • კონსერვატიული რეპლიკაცია. ამ მოდელის მიხედვით დნმ-ის რეპლიკაციის შედეგად მიიღებული მოლეკულებიდან ერთი მთლიანად ძველია (ზუსტად ის, საწყისი მოლეკულა), მეორე კი - ახალი, ანუ ორი ახალი ჯაჭვისგან შედგება (თუმცაღა ამ ჯაჭვებში ნუკლეოტიდთა თანმიმდევრობა მაინც საწყისი მოლეკულის იდენტურია).
  • დისპერსიული რეპლიკაცია. დისპერსიული მოდელის თანახმად რეპლიკაციის შედეგი დნმ-ის ორი „ჰიბრიდული" მოლეკულაა, ანუ საწყისი და შვილეული დნმ-ების ნარევი. ეს ნიშნავს, რომ თითოეული ჯაჭვი ძველი და ახალი „ნაწილებისგანაა" აწყობილი.
იმ დროს ბიოლოგების უმრავლესობა ფსონს ალბათ ნახევრად კონსერვატიულ მოდელზე ჩამოვიდოდა. ეს ჰიპოთეზა საკმაოდ ლოგიკური იყო, თუ გავითვალისწინებთ დნმ-ის ორჯაჭვიან, სპირალურ სტრუქტურასა და ჯაჭვების იდეალურ, წინასწარმეტყველებად კომპლემენტარულობას (ანუ შესაბამისობას) ერთმანეთთან (ერთ ჯაჭვში თუ თ ნუკლეოტიდია, მეორეში ა იქნება; თუ ერთ ჯაჭვში გ-ა, მეორეს ც ექნება და ასე შემდეგ)2,4. ამ თავისებურების გამო საკმაოდ ადვილი იყო იმის წარმოდგენა, თუ როგორ გამოიყენებდა უჯრედი ერთ ჯაჭვს მეორის, მისი შესაბამისის ასაწყობად.
თუმცა ბიოლოგიაში ბევრია ისეთი შემთხვევაც, როცა „ცხადი" ვარიანტი არასწორი აღმოჩნდება ხოლმე. (ცილა, როგორც გენეტიკური მასალა, გახსოვთ ვინმეს?). შესაბამისად, აუცილებელი იყო ექსპერიმენტულად დამტკიცებულიყო, თუ რომელ მოდელს იყენებდნენ უჯრედები სინამდვილეში დნმ-ის რეპლიკაციისთვის.

მესელსონმა და სტალმა ამოხსნეს თავსატეხი

მეთ მესელსონი და ფრანკლინ სტალი 1954 წლის ზაფხულში შეხვდნენ. ამ დროს უკვე ერთი წელი იყო გასული მას შემდეგ, რაც ვოტსონმა და კრიკმა დნმ-ის სტრუქტურის შესახებ ნაშრომი გამოაქვეყნეს. ამ ორ მკვლევარს სხვადახვა რამის კვლევა აინტერესებდა, მაგრამ ორივე მათგანს აინტრიგებდა დნმ-ის რეპლიკაციის საკითხი და გადაწყვიტეს, ერთად ემუშავათ ამ თავსატეხის ამოსახსნელად5.

მესელსონ-სტალის ექსპერიმენტი

მესელსონმა და სტალმა თავიანთი ცნობილი ექსპერიმენტისთვის დნმ-ის რეპლიკაციაზე სამოდელო სისტემად ბაქტერია E. coli გამოიყენეს.
მათ თავდაპირველად E. coli ბაქტერიები აზოტის „მძიმე" იზოტოპის, 15N-ის, შემცველ საკვებ ნიადაგზე გაზარდეს (იზოტოპი ქიმიური ელემენტის სახესხვაობაა, რომელიც ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობით განსხვავდება ამავე ელემენტის სხვა სახესხვაობებისგან). მძიმე 15N-ის შემცველ ნიადაგზე ზრდისას ბაქტერიები ამ იზოტოპს შთანთქამენ და მას ახალი ბიოლოგიური მოლეკულების, მათ შორის დნმ-ის, წარმოსაქმნელად იყენებენ.
15N-იან ნიადაგზე ბაქტერიების მრავალი თაობის გაზრდის შემდეგ მათი დნმ-ის ყველა აზოტოვანი ფუძე მძიმე 15N-ით მოინიშნა (ანუ, ყველა მათგანში ჩვეულებრივი აზოტის ნაცვლად 15N ჩაჯდა). ამის შემდეგ ბაქტერიები მსუბუქი იზოტოპის, 14N-ის, შემცველ ნიადაგზე გადაიტანეს და იქ ზრდიდნენ მათ რამდენიმე თაობას. გადატანის შემდეგ წარმოქმნილ დნმ-ში სულ 14N იქნებოდა, რადგან ბაქტერია გარემოდან სხვანაირ აზოტს ვერ მოიპოვებდა მოლეკულების ასაწყობად.
მესელსონმა და სტალმა იცოდნენ, რამდენად ხშირად იყოფა E. coli ბაქტერიები, შესაბამისად, მათ თითოეული თაობიდან მცირე ნიმუშები შეაგროვეს, მათგან კი ამოიღეს და გამოყვეს სუფთა დნმ. შემდეგ მეცნიერებმა დნმ-ის სიმკვრივე გაზომეს (და ამით დაადგინეს მასში 15N-ისა და 14N-ის შემცველობა) სიმკვრივის გრადიენტით ცენტრიფუგირების მეთოდის გამოყენებით.
ეს მეთოდი გულისხმობს მოლეკულების (როგორიცაა დნმ) ცალკე გამოყოფას მათი მაღალ სიჩქარეზე დატრიალებით სხვა მოლეკულის, მაგალითად ცეზიუმის ქლორიდის, თანაარსებობისას. შედეგად მოტრიალე სინჯარაში სიმკვრივის გრადიენტი წარმოიქმნება ზემოდან ქვემოთ. ამ მეთოდის წყალობით შესაძლებელია ძალიან მცირედ განსხვავებებული - მაგალითად, 15N-ითა და 14N-ით მონიშნული დნმ-ის - მოლეკულების გამოცალკევება ერთმანეთისგან.
დიაგრამაზე წარმოდგენილია CsCl-ის, აზოტ-14-ითა და აზოტ 15-ით მონიშნული დნმ-ის, შემცველი სინჯარა მაღალი სიჩქარით ცენტრიფუგირების შემდეგ. CsCl-ის გრადიენტის წარმოქმნის წყალობით სინჯარაში არსებული ხსნარის სიმკვივე უდიდესია ძირში და უმცირესია ზედა ნაწილში. აზოტ-14-ით მონიშნული დნმ ზოლადაა განლაგებული სინჯარის თავთან შედარებით ახლოს, აზოტ-15-ით მონიშნული კი - ძირთან ახლოს. მათი ასეთი მდებარეობის მიზეზი შეფარდებითი სიმკვრივეებია.
_სურათის წყარო: „მესელსონ სტალის ექსპერიმენტის დიაგრამა, ინგ.,"ავტორი მარიანა რუიზ ვილარეალი (საჯარო დომენი)._

ექსპერიმენტის შედეგები

E. coli -ის პირველი ოთხი თაობის დნმ-ის შესწავლის შედეგად ასე განლაგებული ზოლები მიიღეს მეცნიერებმა:
_შეცვლილი სურათის წყაროა „დნმ-ის რეპლიკაციის საფუძვლები: სურათი 2," მფლობელი ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0). თავდაპირველი ნამუშევარის წყაროა „მესელსონ სტალის ექსპერიმენტის დიაგრამა, ინგ.,"ავტორი მარიანა რუიზ ვილარეალი (საჯარო დომენი)._
და რას მიხვდნენ ამ შედეგებით მესელსონი და სტალი? მოდით, განვიხილოთ ბაქტერიების პირველი რამდენიმე თაობა და მათგან მიღებული უმნიშვნელოვანესი ინფორმაცია.

თაობა 0

ექსპერიმენტის დასაწყისში უჯრედებიდან გამოყოფილი დნმ („თაობა 0", 14N-იან ნიადაგზე გადატანამდე) ცენტრიფუგირების შემდეგ ერთ ზოლში განლაგდა. ეს ლოგიკურიც იყო, რადგან ამ დნმ-ში მხოლოდ მძიმე იზოტოპი, 15N, უნდა ყოფილიყო (ყველა ჯაჭვში 15N და შესაბამისად, ყველა ერთნაირი სიმკვრივის).

თაობა 1

პირველი (ანუ დნმ-ის ერთი რეპლიკაციის შემდეგ მიღებული) თაობის დნმ-იც ერთ ზოლად განლაგდა ცენტრიფუგირების შემდეგ, თუმცა ეს ზოლი უფრო მაღლა მდებარეობდა - სადღაც შუაში მძიმე 15N-ის შემცველ დნმ-სა და მსუბუქი 14N-ის შემცველს შორის.
შუაში მდებარე ზოლი ნიშნავდა, რომ პირველი რეპლიკაციის შემდეგ წარმოქმნილი დნმ-ის მოლეკულები მსუბუქი და მძიმე დნმ-ის ჰიბრიდები იყო. ეს შედეგი დისპერსიულ და ნახევრად კონსერვატიულ მოდელს უჭერდა მხარს, მაგრამ არა - კონსერვატიულს.
კონსერვატიული მოდელი სწორი რომ ყოფილიყო, ამ თაობის დნმ ორ ზოლად განლაგდებოდა (ერთ ზოლში მძიმე, საწყისი მოლეკულები იქნებოდა, მეორეში კი - მსუბუქი, ახლები).

თაობა 2

მეორე თაობიდან მიღებული ინფორმაციით მესელესონმა და სტალმა უკვე ის განსაზღვრეს, დარჩენილი ვარიანტებიდან (ნახევრად კონსერვატიული და დისპერსიული მოდელები) რომელი იყო სწორი.
მეორე თაობის დნმ ცენტრიფუგირების შემდეგ ორ ზოლად განლაგდა. ერთი მათგანი ისევ იქ მდებარეობდა, სადაც პირველი თაობის შუალედური ზოლი, მეორე კი - ურო მაღლა (რადგან, სავარაუდოდ, მხოლოდ მსუბუქ 14N-ს შეიცავდა).
ამ შედეგით მესელსონი და სტალი მიხვდნენ, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიული პროცესი იყო. ორი სხვადასხვა ზოლის წარმოქმნა - ერთი ჰიბრიდული მოლეკულის ადგილას და მეორე მსუბუქი მოლეკულის ადგილას - ზუსტად ისაა, რაც ნახევრად კონსერვატიული რეპლიკაციის შემთხვევაში იქნებოდა მოსალოდნელი (იხ. ქვედა დიაგრამა). ამის საპირისპიროდ, რეპლიკაცია დისპერსიული რომ იყოს, ყველა მოლეკულას ძველი და ახალი, ანუ მძიმე და მსუბუქი, დნმ-ის „ნაწილები" ექნებოდა, ამიტომ, სუფთად „მსუბუქ მოლეკულებს" საერთოდ ვერ მივიღებდით.
მესელსონ-სტალის ექსპერიმენტის დიაგრამა. დნმ-ის ყველა საწყისი მოლეკულა აზოტ-15-ითაა მონიშნული. დნმ-ის ნიმუში აიღეს ბაქტერიების აზოტ-14-იან ნიადაგზე გადატანამდე, დააცენტრიფუგეს CsCl-ის გრადიენტში და მიიღეს დნმ-ის ერთი ზოლი სინჯარის ძირთან ახლოს (რაც ნიშნავს, რომ მთელი დნმ „მძიმეა" და აზოტ-15-ს შეიცავს). ამ დნმ-ის „პატრონ" ბაქტერიებს „თაობა 0 „ ეწოდათ.
ბაქტერიები შემდეგ აზოტ-14-იან ნიადაგზე გადაიტანეს და მათი ოთხი თაობა მიიღეს. თითოეულ თაობის (მათ გაზრდას დაახლოებით 20 წუთი სჭირდება) დნმ-ის ნიმუშები კიდევ აიღეს და დააცენტრიფუგეს CsCl-ის გრადიენტში.
  • თაობა 0 (იხ. ზემოთ). დნმ-ის 100% აზოტ-15-ს შეიცავს და ამავე ზოლში თავსდება.
  • თაობა 1. დნმ-ის 100% ჰიბრიდია და განთავსდება შუალედურ ზოლში აზოტ-14 და აზოტ-15 ზოლებს შორის.
  • თაობა 2. დნმ-ის 50% ჰიბრიდია და განთავსდება შუალედურ ზოლში აზოტ-14 და აზოტ-15 ზოლებს შორის, დანარჩენი 50% აზოტ-14-ის ზოლში ხვდება.
  • თაობა 3. დნმ-ის 25% ჰიბრიდია და განთავსდება შუალედურ ზოლში აზოტ-14 და აზოტ-15 ზოლებს შორის, დანარჩენი 75% აზოტ-14-ის ზოლში ხვდება.
  • თაობა 4. დნმ-ის 12% ჰიბრიდია და განთავსდება შუალედურ ზოლში აზოტ-14 და აზოტ-15 ზოლებს შორის, დანარჩენი 88% აზოტ-14-ის ზოლში ხვდება.
გამოსახულების მარჯვენა მხარეს მოცემულია ნახატი, რომელზეც ნაჩვენებია, როგორ შეიძლება ეს შედეგები აიხსნას ნახევრად კონსერვატიული მოდელით. საწყისი ორმაგი სპირალი მთლიანად მონიშნულია აზოტ-15-ით (თაობა 0). ამ სპირალის რეპლიკაციით ორ სპირალს ვიღებთ, რომელთაგან თითოეულიც ერთ აზოტ-15-იან (ანუ ძველ) და ერთ აზოტ-14-იან (ახალ) ჯაჭვს შეიცავს. ამ ორი სპირალის რეპლიკაციით ვიღებთ ოთხ სპირალს, რომელთაგან ორი ისევ აზოტ-15/აზოტ-14-ის ჰიბრიდია, ორი კი მხოლოდ აზოტ-14-ისგან (მე-2 თაობა) შედგება. მე-2 თაობის სპირალების რეპლიკაციით ვიღებთ რვა სპირალს: ორი არის აზოტ-15/აზოტ-14 ჰიბრიდი და ექვსი მხოლოდ აზოტ-14-ისგან (მე-3 თაობა) შედგება. ამ თაობის რეპლიკაციით ვიღებთ 16 სპირალს, რომელთაგან ორიც აზოტ-15/აზოტ-14 ჰიბრიდია, 14 კი - მხოლოდ აზოტ-14-ისგან (მე-4 თაობა) შედგება.
_შეცვლილი სურათის წყაროა „დნმ-ის რეპლიკაციის საფუძვლები: სურათი 2," მფლობელი ოპენსტაქსის კოლეჯი, ბიოლოგია (CC BY 3,0). თავდაპირველი ნამუშევარის წყაროა „მესელსონ სტალის ექსპერიმენტის დიაგრამა, ინგ.,"ავტორი მარიანა რუიზ ვილარეალი (საჯარო დომენი)._

თაობა 3 და 4

ნახევრად კონსერვატიული მოდელის მიხედვით, მეორე თაობის თითოეული ჰიბრიდული დნმ ჰიბრიდულ და მსუბუქ მოლეკულებს მოგვცემდა მესამე თაობაში, თითოეული მსუბუქი დნმ კი - მხოლოდ მსუბუქ მოლეკულებს.
შესაბამისად, მესამე და მეოთხე თაობაში მოსალოდნელი იყო ჰიბრიდული ზოლის თანდათან გაფერმკრთალება (რადგან მასში მთლიანი დნმ-ის უფრო და უფრო მცირე ნაწილი დარჩებოდა), მსუბუქი ზოლის კი - უფრო გამუქება და გასქელება (იქ დნმ-ის უფრო დიდი ნაწილი განლაგდებოდა).
როგორც დიაგრამაზე ჩანს, მესელსონმა და სტალმა ზუსტად ასეთი შედეგი მიიღეს, რამაც დაადასტურა რეპლიკაციის ნახევრად კონსერვატიული მოდელის სისწორე.

შეჯამება

მესელსონისა და სტალის ექსპერიმენტით დადასტურდა, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია ნახევრად კონსერვატიულია, ანუ მოლეკულის თითოეულ ჯაჭვზე ახალი, კომპლემენტარული ჯაჭვი იწყობა.
მიუხედავად იმისა, რომ ამ მეცნიერებმა ექსპერიმენტი ბაქტერია E. coli-ზე ჩაატარეს, დღეს უკვე ვიცით, რომ დნმ-ის რეპლიკაცია დედამიწაზე ყველა ორგანიზმში ნახევრად კონსერვატიული მექანიზმით მიმდინარეობს. ამ წამსაც კი თქვენი უჯრედების ნაწილი დნმ-ს ნახევრად კონსერვატიულად აორმაგებს!

გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?

პოსტები ჯერ არ არის.
გესმით ინგლისური? დააწკაპუნეთ აქ და გაეცანით განხილვას ხანის აკადემიის ინგლისურენოვან გვერდზე.