Πώς απέδειξαν οι επιστήμονες ότι το DNA είναι το γενετικό μας υλικό;

Τρία σπερματικά πειράματα απέδειξαν, χωρίς αμφιβολία, ότι το DNA ήταν το γενετικό υλικό και όχι οι πρωτεΐνες. Αυτά τα πειράματα ήταν το πείραμα Griffith, το πείραμα Avery, MacLeod και McCarthy και τέλος το πείραμα Hershey-Chase.

Το DNA είναι το θεμελιώδες συστατικό της ύπαρξής μας. Το ανθρώπινο σώμα είναι απλώς ο φορέας αυτού του γενετικού υλικού, μεταβιβάζοντάς το από γενιά σε γενιά. Σκοπός μας είναι να διασφαλίσουμε την επιβίωση του είδους. Οι άνθρωποι είναι για το DNA όπως ένας καρπός για έναν σπόρο. Είμαστε απλώς ένα εξωτερικό κάλυμμα για να εξασφαλίσουμε την ασφαλή διέλευση και προστασία του πηγαίου κώδικα της ύπαρξής μας μέσα στο χρόνο. Σε κάνει να νιώθεις αρκετά άχρηστος, έτσι δεν είναι;

Ωστόσο, δεν είναι αυτό στο οποίο θέλω να εστιάσετε. Η κύρια εστίαση είναι, πώς ανακαλύψαμε ότι το DNA είναι ο φορέας των πληροφοριών; Πώς προσδιορίσαμε ότι δεν ήταν κάτι άλλο, όπως οι πρωτεΐνες; Άλλωστε, πρωτεΐνες υπάρχουν επίσης σε κάθε κύτταρο.

Αυτή η συζήτηση γινόταν για πολύ καιρό. Ακόμη και όταν ο Γκρέγκορ Μέντελ διαμόρφωσε τους 3 νόμους της κληρονομικότητας, δεν έγινε αποδεκτός από την επιστημονική κοινότητα για 45 χρόνια. Ο λόγος? Δεν υπήρχε η έννοια του DNA ή των γονιδίων να είναι οι φορείς πληροφοριών! Η όλη συζήτηση τερματίστηκε τελικά από 3 κύρια πειράματα που πραγματοποιήθηκαν από ανεξάρτητους ερευνητές, τα οποία αποτέλεσαν τη βάση όλων των μελετών μας για την εξελικτική και μοριακή βιολογία.

DNA (Φωτογραφία:Pixabay)

Πείραμα Griffith

Το πρώτο βήμα έγινε από τον Frederick Griffith το έτος 1928. Ήταν ένας βακτηριολόγος που επικεντρώθηκε στην επιδημιολογία. Ο Γκρίφιθ μελετούσε τον τρόπο Streptococcus pneumoniae προκάλεσε μόλυνση. Δούλευε με 2 στελέχη των βακτηρίων που ονομάζονται στελέχη S και R. Οι οργανισμοί του στελέχους S, όταν καλλιεργήθηκαν στο εργαστήριο, δημιούργησαν βακτηριακές αποικίες με ομαλή εμφάνιση. Αυτό οφειλόταν σε μια γυαλιστερή, πολυσακχαριδική επίστρωση, η οποία υποτίθεται ότι είναι ο παράγοντας λοιμογόνου δράσης τους. Ένας παράγοντας λοιμογόνου δράσης είναι οποιαδήποτε ποιότητα ή παράγοντας παθογόνου που το βοηθά να επιτύχει τον στόχο του – την πρόκληση ασθένειας! Το άλλο στέλεχος ήταν το στέλεχος R. Αυτό το στέλεχος οδήγησε σε αποικίες που δεν είχαν το κάλυμμα πολυσακχαρίτη και επομένως είχαν μια «τραχύ» εμφάνιση. Επομένως, το στέλεχος S ήταν μολυσματικό και το στέλεχος R ήταν μη λοιμογόνο.

Ο Γκρίφιθ πήρε 4 ποντίκια και τους έκανε ένεση με διαφορετικά διαλύματα. Στο πρώτο έγινε ένεση με τους οργανισμούς του στελέχους S. Στο δεύτερο έγινε ένεση με τους οργανισμούς του στελέχους R. Στο τρίτο ποντίκι εγχύθηκαν οργανισμοί στελέχους S που σκοτώθηκαν από τη θερμότητα. και το τελευταίο εγχύθηκε με ένα μείγμα από θερμικά σκοτωμένο στέλεχος S και ζωντανών οργανισμών του στελέχους R. Το αποτέλεσμα? Το πρώτο και το τέταρτο ποντίκι πέθαναν λόγω της μόλυνσης, ενώ το δεύτερο και το τρίτο ποντίκια επέζησαν. Όταν εξήγαγε τον μολυσματικό παράγοντα από τα νεκρά ποντίκια, και στις δύο περιπτώσεις, βρήκε οργανισμούς του στελέχους S.

(Φωτογραφία:Wikimedia Commons) Πείραμα Griffith

Ας το αναλύσουμε. Τα πρώτα 2 ποντίκια έδειξαν ότι το στέλεχος S είναι το λοιμογόνο στέλεχος, ενώ το στέλεχος R είναι μη λοιμογόνο. Το τρίτο ποντίκι απέδειξε ότι οι οργανισμοί του στελέχους S που σκοτώνονται από τη θερμότητα δεν μπορούν να προκαλέσουν μόλυνση. Εδώ είναι που γίνεται ενδιαφέρον. Ο θάνατος του 4ου ποντικού και η ανάκτηση ζωντανών οργανισμών του στελέχους S έδειξαν ότι, κατά κάποιο τρόπο, οι σκοτωμένοι από τη θερμότητα οργανισμοί του στελέχους S είχαν προκαλέσει τον μετασχηματισμό των ζωντανών οργανισμών του στελέχους R σε ζωντανούς οργανισμούς του στελέχους S.

Αυτό ονομάστηκε πείραμα μετασχηματισμού… δεν είναι ιδιαίτερα δημιουργικός στο τμήμα ονοματοδοσίας.

Πείραμα Avery, Macleod και McCarty

Ενώ το πείραμα του Griffith είχε δώσει ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα, δεν ήταν σαφές ποιο συστατικό των νεκρών βακτηρίων του στελέχους S ήταν υπεύθυνο για τον μετασχηματισμό. 16 χρόνια αργότερα, το 1944, οι Oswald Avery, Colin Macleod και MacLynn McCarty έλυσαν αυτό το παζλ.

Εργάστηκαν με μια παρτίδα βακτηρίων του στελέχους S που σκοτώθηκαν από τη θερμότητα. Το χώρισαν σε 5 παρτίδες. Στην πρώτη παρτίδα, κατέστρεψαν το κάλυμμα πολυσακχαρίτη των βακτηρίων. Στη δεύτερη παρτίδα κατέστρεψαν την περιεκτικότητά του σε λιπίδια. κατέστρεψαν το RNA των βακτηρίων στην τρίτη παρτίδα. με την τέταρτη παρτίδα, κατέστρεψαν τις πρωτεΐνες. και στην τελευταία παρτίδα κατέστρεψαν το DNA. Κάθε μία από αυτές τις παρτίδες αναμίχθηκε ξεχωριστά με ζωντανά βακτήρια στελέχους R και εγχύθηκε σε μεμονωμένα ποντίκια.

Και από τα 5 ποντίκια, όλα πέθαναν εκτός από το τελευταίο ποντίκι. Από όλα τα νεκρά ποντίκια, ανακτήθηκαν ζωντανά βακτήρια του στελέχους S. Αυτό το πείραμα απέδειξε ξεκάθαρα ότι όταν το DNA των βακτηρίων του στελέχους S καταστράφηκε, έχασαν την ικανότητα να μετασχηματίζουν τα βακτήρια του στελέχους R σε ζωντανά στελέχη S. Όταν άλλα συστατικά, όπως το κάλυμμα πολυσακχαρίτη, το λιπίδιο, το RNA ή η πρωτεΐνη καταστράφηκαν, ο μετασχηματισμός εξακολουθούσε να γίνεται. Αν και το κάλυμμα πολυσακχαρίτη ήταν ένας λοιμογόνος παράγοντας, δεν ήταν υπεύθυνος για τη μεταφορά της γενετικής ύλης.

Πείραμα Hershey and Chase

Ακόμη και μετά τα αδιάσειστα στοιχεία που παρείχαν το πείραμα των Avery, Macleod και McCarty, υπήρχαν ακόμα μερικοί σκεπτικιστές εκεί έξω που δεν πείστηκαν. Η συζήτηση συνεχιζόταν μεταξύ πρωτεϊνών και DNA. Ωστόσο, το πείραμα Hershey – Chase έβαλε οριστικά τέλος σε αυτή τη μακροχρόνια συζήτηση.

Ο Alfred Hershey και η Martha Chase το 1952 πραγματοποίησαν ένα πείραμα που απέδειξε, χωρίς αμφιβολία, ότι το DNA ήταν ο φορέας των πληροφοριών. Για το πείραμά τους, χρησιμοποίησαν τη χρήση του βακτηριοφάγου Τ2. Ένας βακτηριοφάγος είναι ένας ιός που μολύνει μόνο βακτήρια. Ο συγκεκριμένος ιός μολύνει την Escherichia coli . Το T2 είχε μια απλή δομή που αποτελούνταν από μόλις 2 συστατικά - ένα εξωτερικό περίβλημα πρωτεΐνης και το εσωτερικό DNA. Οι Hershey και Chase πήραν 2 διαφορετικά δείγματα T2. Μεγάλωσαν το ένα δείγμα με 32P, που είναι το ραδιενεργό ισότοπο του φωσφόρου, και το άλλο δείγμα αναπτύχθηκε με 35S, το ραδιενεργό ισότοπο του θείου!

Το πρωτεϊνικό κάλυμμα έχει θείο και καθόλου φώσφορο, ενώ το υλικό DNA έχει φώσφορο αλλά όχι θείο. Έτσι, τα 2 δείγματα επισημάνθηκαν με 2 διαφορετικά ραδιενεργά ισότοπα.

Οι ιοί στη συνέχεια αφέθηκαν να μολύνουν το E. coli . Μόλις έγινε η μόλυνση, το πειραματικό διάλυμα υποβλήθηκε σε ανάμιξη και φυγοκέντρηση. Ο πρώτος αφαίρεσε τα κελύφη-φαντάσματα, ή τα άδεια κελύφη του ιού από το σώμα των βακτηρίων. Το τελευταίο χώριζε τα βακτήρια από οτιδήποτε άλλο. Το βακτηριακό διάλυμα και το υπερκείμενο στη συνέχεια ελέγχθηκαν για τη ραδιενέργεια τους.

Πείραμα Hershey – Chase

Στο πρώτο δείγμα, όπου χρησιμοποιήθηκε 32P, το βακτηριακό διάλυμα έδειξε ραδιενέργεια, ενώ το υπερκείμενο δεν είχε σχεδόν καθόλου ραδιενέργεια. Στο δείγμα όπου χρησιμοποιήθηκε το 35S, το βακτηριακό διάλυμα δεν έδειξε καμία ραδιενέργεια, αλλά το υπερκείμενο έδειξε.

Αυτό το πείραμα έδειξε ξεκάθαρα ότι το DNA μεταφέρθηκε από τον φάγο στα βακτήρια, καθιερώνοντας έτσι τη θέση του ως τον θεμελιώδη φορέα της γενετικής πληροφορίας.

Μέχρι το τελικό πείραμα που διεξήγαγαν οι Hershey και Chase, το DNA θεωρούνταν ένα μάλλον απλό και βαρετό μόριο. Δεν θεωρήθηκε αρκετά δομημένο για να εκτελέσει μια τόσο περίπλοκη και εξαιρετικά σημαντική λειτουργία. Ωστόσο, μετά από αυτό το πείραμα, οι επιστήμονες άρχισαν να δίνουν πολύ μεγαλύτερη προσοχή στο DNA, οδηγώντας μας στο σημείο που βρισκόμαστε στην έρευνα σήμερα!