Основно съдържание

Курс: Биологична библиотека > Раздел 17

Урок 2: Откриването на ДНК

Класически експерименти: ДНК като генетичния материал

Експерименти от Фредерик Грифит, Осуалд Ейвъри и неговите колеги и Алфред Хърши и Марта Чейс.

Въведение

Съвременното ни разбиране за ролята на ДНК в наследствеността е довело до разнообразни приложения в практиката, сред които в криминалистиката, тестовете за бащинство и генетичните изследвания за заболявания преди раждането. Благодарение на тази широка употреба много хора днес имат поне основно разбиране за ДНК.

Затова може да е изненадващо да се разбере, че преди по-малко от един век дори най-образованите членове на академичната общност не са предполагали, че ДНК е носителят на наследствения материал!

В тази статия ще разгледаме някои от класическите експерименти, които довели до идентифициране на ДНК като носителя на генетична информация.

Протеини или ДНК?

Работата на Грегор Мендел показва, че характеристиките на организмите (като цвета на цветчетата при граховите растения) не се унаследяват директно, а посредством гени, предавани от родителите към тяхното поколение. Последващата работа на други учени на прага на 20-ти век, сред които Теодор Бовери, Уолтър Сътън и Томас Хънт Морган установява, че наследствените фактори на Мендел най-вероятно се пренасят от хромозомите.

В началото учените смятали, че протеините, които се намират заедно с ДНК в хромозомите, ще се окажат търсеният генетичен носител. За протеините се знаело, че имат разнообразни последователности от аминокиселини, докато ДНК се е смятала за скучен, повтарящ се полимер – тази представа за нея се дължала отчасти на неправилен (но разпространен) модел на нейната структура и състав

^{1}

Днес ни е известно, че ДНК в действителност не е повтаряща се; нещо повече – тя може да пренася огромни количества информация, както е обяснено по-подробно в статията за откриването на структурата на ДНК. Но как учените успели да разберат, че тази „скучна“ молекула ДНК би могла да е истинският носител на генетичната информация?

Фредерик Грифит: Бактериална трансформация

През 1928 година британският бактериолог Фредерик Грифит провежда серия експерименти с бактерията Streptococcus pneumoniae и с мишки. Целта на Грифит не е била да определи кой е носителят на генетичната информация, ами да се опита да създаде ваксина срещу пневмонията. За експериментите си Грифит използва два свързани щама от бактерията, известни като R и S щам.

R щам. Когато се отглеждат в блюдо на Петри, R бактериите образуват колонии, или групи свързани бактерии, които имат добре дефинирани ръбове и груб вид (оттук и съкращението "R" - от англ. "rough"). R бактериите са невирулентни, което означава, че те не причиняват болест, когато се инжектират в мишка.
S щам. S бактериите формират колонии, които са заоблени и гладки (оттук и съкращението "S" - от англ. "smooth"). Гладкият вид се дължи на полизахаридна (на основата на захари) обвивка, произведена от бактериите. Тази обвивка защитава S бактериите от имунната система на мишката, което ги прави вирулентни (способни да причиняват заболявания). Мишки, инжектирани с живи S бактерии, развиват пневмония и умират.

В своите експерименти Грифит инжектира мишки с топлинно дезактивиран S-щам на бактерията (това са S бактерии, които са подложени на високи температури, от което техните клетки умират). Очаквано, тези бактерии не причинили заболяване на мишките.

Експериментите обаче получават неочакван обрат. Когато безобидният R-щам на бактерията се съчетаел с топлинно умъртвения S-щам и комбинацията им се инжектирала в мишката, тя не само развивала пневмония и умирала, но кръвната проба на мъртвата мишка, която Грифит изследвал, съдържала живи бактерии от S-щама!

_Изображение, адаптирано по илюстрацията „експеримент на Грифит“от Madeleine Price Ball (CC0/обществено достояние)._

Заключението на Грифит било, че бактериите от щама R са възприели някакъв „трансформиращ принцип“ от умъртвените с топлина S бактерии, който им е помогнал да развият гладки обвивки като техните и да станат вирулетни.

Ейвъри, Маккарти и Маклеод: Идентифициране на принципа на трансформацията

Годината била 1944, когато трима учени от САЩ и Канада – Осуалд Ейвъри, Маклин Маккарти и Колин Маклеод – се заемат със задачата да намерят „трансформиращия принцип“ на Грифит.

Те започнали от големи култури с топлинно умъртвени клетки на бактерии от щама S, които подложили на серия от биохимични стъпки (внимателно определени експериментално), за да могат постепенно да пречистят този трансформиращ принцип, като промият, отделят или разрушат с ензими останалите части на клетката.

Няколко доказателствени линии показват на Ейвъри и неговите колеги, че трансформиращият принцип може да е ДНК

^{2}

Пречистеното вещество дава отрицателен резултат на химически тестове, определящи протеини, но има силно положителен резултат на тест, определящ ДНК.
Съставът от химически елементи на пречистения трансформиращ принцип наподобява ДНК с голяма точност от гледна точка съотношението на азот и фосфор.
Ензимите, разграждащи протеини и РНК, оказват минимален ефект върху трансформиращия принцип, докато разграждащите ДНК ензими напълно премахват неговата трансформираща активност.

Всички тези резултати посочват именно ДНК като най-вероятния кадидат за трансформиращ принцип. Въпреки това, Ейвъри е предпазлив в тълкуването на резултатите си. Той осъзнава, че все пак е възможно някакво друго вещество, което е налично в много малки количества, а не ДНК, да се окаже истинският трансформиращ принцип.

Поради тази възможност ролята на ДНК продължава да е предмет на спорове чак до 1952 г., когато Алфред Хърши и Марта Чейс използват друг подход, за да определят категорично ДНК като носител на генетичната информация.

Експериментите на Хърши-Чейс

В своите легендарни експерименти Хърши и Чейс изучават бактериофаги или вируси, които нападат бактерии. Използваните от тях фаги са прости частици, съставени от определен протеин и ДНК, като техните външни протеинови структури обгръщат ядро от ДНК.

Хърши и Чейс знаели, че фагите се прикрепят към повърхността на бактериалната клетка и инжектират в нея някакво вещество (или ДНК, или протеин). Това вещество има ролята да внесе „инструкции“, които карат бактерията да произвежда огромно количество нови фаги – с други думи, това вещество е генетичният материал на бактериофага. Преди да завършат опита Хърши предполагал, че този генетичен материал ще се окаже протеин

^{4}

За да определят дали фагът инжектира ДНК, или протеин в своята жертва, Хърши и Чейс сравняват две различни култури от фаги. Във всяка от културите фагите се намножавали в присъствието на определен радиоактивен елемент, който така се внасял в изграждащите фага макромолекули (ДНК или протеинови).

Едната проба се създавала в присъствието на $^{35} S$ ‍, радиоактивен изотоп на сярата. Серните атоми са част от множество протеини, но не се намират в ДНК, и затова само протеините на фагите от тази проба стават радиоактивно маркирани.
Другата проба била създадена в присъствието на $^{32} P$ ‍, радиоактивен изотоп на фосфора. Фосфор се съдържа в ДНК, но не в протеините на фага, така че тази обработка прави радиоактивно маркиране само на фаговата ДНК (но не и на протеините).

Всяка от фаговите проби била използвана да зарази различна бактериална култура. След заразяването всяка от културите е завъртяна в блендер, което отделя всички останали фаги и техните части от повърхността на бактериалните клетки. Накрая културите са подложени на центрофугиране, което ги завърта на много висока скорост, за да се разделят бактериите от остатъците от фаги.

Центрофугирането прави така, че по-тежките частици, каквито са бактериите, да паднат на дъното на епруветката и да образуват утайка, известна под името преципитат. По-леките вещества, например бульонът, използван като среда при отглеждането на клетъчните култури , заедно с намиращите се в него фаги и техни части, остават в горната част на епруветката и образуват течен слой, наречен супернатант.

_Изображение, модифицирано от "Историческа основа на съвременното разбиране: Фигура 3", от Колеж ОупънСтакс, Биология (CC BY 3.0)._

Когато Хърши и Чейс измерили радиоактивността на преципитата и супернатантата от двете проби, намерили голямо количество фосфор

^{32} P

в преципитата, а почти цялата маркирана сяра

^{35} S

била в супернатанта. Въз основа на този и други подобни експерименти Хършли и Чейс достигат до извода, че бактериофагите инжектират в клетките на бактериите ДНК, а не протеин, и именно ДНК представлява генетичният материал на фагите.

Не е задължително. Всички живи същества (а вирусите не се смятат за живи) използват ДНК за генетичен материал. Някои вируси, обаче, използват рибонуклеинова киселина, или РНК. Можеш да научиш повече в раздела за вирусите.

Оставащи въпроси

Работата на споменатите тук изследователи осигурила неоспорими доказателства, че ДНК е носителят на генетичната информация. Обаче все още не било ясно как става така, че една наглед толкова проста молекула може да кодира цялата генетична информация, нужна за създаването на сложен организъм. Изследванията на множество учени след тях, сред които са Ъруин Чаргаф, Джеймс Уотсън, Франсис Крик и Розалинд Франклин водят до откриването на структурата на ДНК, което изяснява начина, по който ДНК кодира огромни количества информация.

Източници

Тази статия е адаптирана въз основа на "Historical basis of modern understanding," от OpenStax College, Biology, CC BY 4.0. Можеш да свалиш оригиналната статия на английски език безплатно от http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@10.53.

Тази статия е лицензирана под разрешително CC BY-NC-SA 4.0.

Цитирани трудове:

Алдридж, Сюзън. (2003). Историята на ДНК. От Кралско химическо общество. Получено на 27 юли 2016 от http://www.rsc.org/chemistryworld/Issues/2003/April/story.asp.
Ейвъри, O. T., Маклеод, К. M., и Маккарти, M. (1944). Изследване на химическата природа на веществото, предизвикващо промяна на типовете пневмококи. J. Exp. Med., 79(2), 137-158. Извлечено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2135445/.
Scarc. (2009, July 7). Експериментите с пневмококи на Осуалд Ейвъри: предвестник на историята на ДНК [блог пост]. От The Pauling blog. Извлечено от https://paulingblog.wordpress.com/2009/07/07/oswald-averys-pneumococcus-experiments-forerunner-of-the-dna-story/.
Скарк. (2009, 18 август). Експериментите с блендер на Хърши-Чейс [web log post]. В The Pauling blog. Получено от https://paulingblog.wordpress.com/2009/08/18/the-hershey-chase-blender-experiments/.

Допълнителни източници:

Генът се състои от ДНК. (2011). В DNA from the beginning. Получено от http://www.dnaftb.org/17/animation.html.

Сюзън Олдридж. (2003). Историята на ДНК. От Royal society of chemistry. Извлечено на 27 юли 2016 от http://www.rsc.org/chemistryworld/Issues/2003/April/story.asp.

Ейвъри, О. Т., Маклеод, К. М., и Маккарти, М. (1994). Изследвания върху химичната природа на веществата, предизвикващи трансформация на Пневмококовите видове. J. Exp. Med., 79(2), 137-158. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2135445/.

Браун, Т. А. (2002). Човешкият геном. В Genomes (2ро изд.). Оксфорд, Обединено Кралство: Wiley-Liss. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21134/.

Грифитс, А. Дж. Ф., Милър, Дж. Х., Сузуки, Д. Т., и др. (2000). ДНК: генетичният материал. В An introduction to genetic analysis (7мо изд.). Ню Йорк, Ню Йорк: W. H. Freeman. Получено от http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22104/.

Национален изследователски институт на човешкия геном. (2013, 23 април). 1944: ДНК е "трансформиращият принцип." В Online education kit: 1940's. Получено от http://www.genome.gov/25520250.

O'Конор, К. (2008). Изолиране на наследствен материал: Фредерик Грифит, Осуалд Ейвъри, Алфред Хърши и Марта Чейс. Nature Education, 1(1), 105. Получено от http://www.nature.com/scitable/topicpage/isolating-hereditary-material-frederick-griffith-oswald-avery-336#.

Рийс, Дж. Б., Юри, Л. А., Кейн, М. Л., Васерман, С. А., Минорски, П. В., и Джаксън, Р. Б. (2011). ДНК е генетичният материал. В Кампбел биология (10-то издание, стр. 313-315). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.

Скарк. (2009, 7 юли). Експериментите на Осуалд Ейвъри с прневмококи: предвестник на ДНК историята [web log post]. В The Pauling blog. Получено от https://paulingblog.wordpress.com/2009/07/07/oswald-averys-pneumococcus-experiments-forerunner-of-the-dna-story/.

Скарк. (2009, 18 август). Експериментите с блендер на Хърши-Чейс [web log post]. В The Pauling blog. Получено от https://paulingblog.wordpress.com/2009/08/18/the-hershey-chase-blender-experiments/.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.