Klasik Deneyler: Genetik Materyal Olarak DNA

Frederick Griffith, Alfred Hershey, Martha Chase, Oswald Avery ve iş arkadaşlarının yaptığı deneyler.

Giriş

Günümüzde, DNA'nın kalıtımdaki rolünü anlamamız sayesinde adli analizler, babalık testleri ve genetik taramaları da içeren birçok uygulama yapabiliyoruz. Bu geniş alanlı kullanımlar sayesinde, bugün birçok insan en azından temel bir DNA farkındalığına sahip.
Çok değil yalnızca yüz yıl önce, bilim topluluklarının en iyi eğitimli üyelerinin bile DNA'nın kalıtım materyali olduğunu bilmemeleri size şaşırtıcı gelebilir.
Bu makalede, DNA'nın genetik bilgi taşıyıcısı olarak tanımlanmasını sağlayan bazı klasik deneylere bakacağız.

Proteine karşı DNA

Gregor Mendel (bezelye bitkilerindeki çiçek rengi gibi) özelliklerin doğrudan kalıtılmadığını, ancak ebeveynlerden yavrulara geçen genler tarafından belirlendiğini göstermiştir. Theodor Boveri, Walter Sutton ve Thomas Hunt Morgan gibi 20. yüzyılın başlarında çalışmalar yapan bilim insanları, Mendel'in kalıtsal faktörlerinin büyük ihtimalle kromozomlar üzerinde taşındığını belirtmiştir.
Bilim insanları ilk başta, kromozomlarda DNA ile birlikte bulunan proteinlerin aranan genetik materyal olacağını düşündüler. Proteinlerin çeşitli amino asit dizileri olduğu bilinirken, DNA'nın sıkıcı, kendini tekrar eden bir polimer olduğu düşünülüyordu. Sebebi ise DNA'nın o dönemde yanlış ancak popüler olan yapı ve bileşim modeliydi1^1.
Bugün, DNA'nın aslında kendini tekrar etmediğini ve DNA yapısının keşfedilmesi bölümünde de işlendiği gibi, büyük miktarda bilgi taşıyabildiğini biliyoruz. Peki ama bilim insanları DNA'nın "sıkıcı" bir yapı değil de genetik materyal olabileceğini nasıl keşfetti?

Frederick Griffith: Bakterilerin dönüşümü

1928'de, İngiliz bakteri biyolojisti Frederick Griffith, Streptococcus pneumoniae bakteri ve fareleri kullanarak bir dizi çalışma yürüttü. Griffith genetik materyali tanımlamaya çalışmıyordu; zatürreye karşı bir aşı geliştirmeye çalışıyordu. Griffith, deneylerinde R ve S olarak bilinen iki bağlantılı bakteri türü kullandı.
  • R tipi. R bakterisi petri kabında büyürken, belirgin köşeleri olan ve kapsülsüz bir görünümü olan koloniler yani bakteri kümeleri oluşturdu. R bakterisi virülent değildi, yani farelere enjekte edildiğinde hasta olmalarına neden olmadı.
  • S tipi . S bakterisi ise kapsüllü koloniler oluşturdu. Kapsüllü görünüm, bakteri tarafından üretilen polisakkarit, veya şeker bazlı tabaka sebebiyle oluşmuştu. Bu kabuk S bakterisini farenin bağışıklık sisteminden korumuş, virülent (hastalığa neden olabilen) olmalarına sebep olmuştur. Canlı S bakterisi enjekte edilen fareler zatürre olup ölmüştür.
Griffith, deneyinin bir parçası olarak farelere yüksek ısıya maruz bırakılan ve hücreleri ölen S bakterisini enjekte etmeyi de denedi. Tahmin edebileceğiniz gibi, ısıdan ölmüş S bakterileri farelerde hastalığa sebep olmadı.
Ancak deneylerde beklenmeyen birşey oldu. Griffith, zararsız R bakterilerini zararsız ve ısıdan ölmüş S bakterileriyle karıştırdı ve bir fareye enjekte etti. Fare hem zatürre olup öldü hem de Griffith ölü fareden kan örneği aldığında, yaşayan S bakterileri gördü.
Griffith, R tipi bakterilerin ısıdan ölmüş S bakterilerinden "dönüşüm prensibi" adını verdiği bir şey aldıkları, böylece kapsüllü bir bakteriye "dönüşüp" virülent oldukları sonucunu çıkardı.

Avery, McCarty, ve MacLeod: Dönüşüm prensibini tanımlama

1944'de, üç Kanadalı ve bir Amerikalı araştırmacı Oswald Avery, Maclyn McCarty ve Colin MacLeod, Griffith'in ''dönüşüm prensibini'' tanımlamak üzere işe koyuldu.
Bunu yapmak için, ısıdan öldürülmüş S hücrelerinin büyük kültürleriyle işe başladılar ve bir dizi uzun biyokimyasal basamaktan (dikkatli bir deney süreciyle) geçtiler. Diğer hücre bileşenlerini temizleyerek, ayırarak veya enzimatik olarak yok ederek dönüşüm prensibini aşama aşama arındırdılar. Bu yöntem sayesinde, yüksek derecede arındırılmış dönüşüm prensibinin küçük miktarlarını elde edebildiler. Bunu da daha sonra kimliğini belirlemek üzere başka testlerde analiz ettiler2^2.
Bir dizi kanıt, Avery ve meslektaşlarına dönüşüm prensibinin DNA olabileceği fikrini verdi2^2:
  • Arındırılmış madde, proteinleri belirlemek için yapılan kimyasal testlerde negatif sonuç verdi, ancak DNA'yı belirlemek için yapılan testlerde güçlü bir şekilde pozitif sonuç verdi.
  • Arındırılmış dönüşüm prensibinin element olarak birleşimi, nitrojen ve fosfor oranı açısından DNA'ya oldukça yakındı.
  • Proteinler ve RNA'yı parçalayan enzimlerin dönüşüm prensibine az bir etkisi oldu, ama DNA'yı ayrıştıran enzimler dönüşüm aktivitesini yok etti.
Bu sonuçların hepsi, DNA'nın dönüşüm prensibi olduğuna işaret ediyordu. Ancak, Avery sonuçlarını yorumlama konusunda dikkatliydi. DNA'nın değil de, küçük miktarlarda bulunan ve kirletici olan bir maddenin asıl dönüşüm prensibi olma ihtimalinin olduğunu fark etti.3^3.
Bu ihtimalden dolayı DNA'nın rolü hakkındaki tartışmalar 1952'ye kadar devam etti. 1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase, DNA'nın kesin olarak genetik materyal olduğu sonucuna varmalarını sağlayacak farklı bir yaklaşım benimsedi.

Hershey-Chase deneyleri

Artık efsaneleşmiş deneyleri sırasında Hershey ve Chase, bakteriyofaj yani bakterilere saldıran virüsler üzerine çalıştılar. Kullandıkları fajlar, protein ve DNA'dan oluşan basit parçacıklardı (dış yapılar protein, iç çekirdek DNA idi).
Hershey ve Chase, fajın, konuk bakteriyel hücrenin yüzeyine bağlandığını ve bazı maddeleri (DNA veya protein) konuk hücreye yerleştirdiğini biliyordu. Bu madde konuk bakteriye, çok sayıda faj yapmaya başlamasına neden olan ''talimatlar'' veriyordu- başka bir deyişle, bu fajın genetik materyaliydi. Deneyden önce, Hershey genetik materyalin protein olduğunun ortaya çıkacağını düşünmüştü4^4.
Fajın konuk bakteriye DNA mı yoksa protein mi yerleştirdğini bulmak için Hershey ve Chase iki farklı faj grubu hazırladı. Her bir grupta faj, kendisini oluşturan makromoleküllerle (DNA ve protein) birleştirilen özel bir radyoaktif elementin varlığında üretildi.
  • Bir örneklem, bir radyoaktif sülfür izotopu (35S^{35}\text S) varlığında üretildi. Sülfür birçok proteinin yapısında bulunur ancak DNA'da bulunmaz, bu yüzden yalnızca faj proteinleri bu işlemle radyoaktif olarak işaretlenebilirdi.
  • Diğer bir örneklem olan 32P^{32}\text P ise bir fosfor izotopu varlığında üretildi. Fosfor DNA'nın yapısında bulunur, proteinlerin yapısında bulunmaz, bu yüzden yalnızca faj DNA (faj protein değil) bu işlemle radyoaktif olarak işaretlenebildi.
Her faj grubu, farklı bakteri kültürlerine etki etmesi için kullanıldı. Meydana gelen etkiden sonra her bir kültür karıştırıcı içinde döndürüldü ve kalan faj ve faj parçaları bakteri hücresinin dış tarafından alındı. En sonunda, kültürler bakteriyi faj atıklarından ayırmak için santrifüjlenmiş yani yüksek hızda döndürülmüştü.
Santrifüjleme, bakteri gibi daha ağır maddelerin tüpün dibine doğru hareket etmesine ve topak da denilen bir yumru oluşturmasına neden olur. Kültürlerin büyümesi için kullanılan et suyu gibi daha hafif maddeler, faj ve faj kısımları boyunca, tüpün ucuna yakın kısımlarda kalır ve süpernatan da denilen, sıvı bir katman oluşturur.
Hershey ve Chase her iki deneylerinde de topaktaki ve süpernatandaki radyoaktiviteyi ölçtüklerinde, topakta büyük miktarda 32P^{32}\text P görünürken, neredeyse bütün 35S^{35}\text S'lerin süpernatanda göründüğünü buldular. Hershey ve Chase bu ve buna benzer deneyleri baz alarak, proteinin değil DNA'nın konuk hücreye aktarıldığı ve fajın genetik materyalini oluşturduğu sonucunu çıkardılar.

Kalan sorular

Yukarıdaki araştırmacıların çalışmaları DNA'nın genetik materyal olduğuna dair güçlü bir kanıt sağlamıştır. Ancak, görünüşte bu kadar basit olan bir molekülün nasıl karmaşık bir organizma oluşturmak için ihtiyaç duyduğu genetik bilgiyi nasıl içinde barındırdığı hala net değildi. Erwin Chargaff, James Watson, Francis Crick ve Rosalind Franklin gibi birçok bilim insanının yaptığı ek araştırmalar, DNA'nın büyük miktarda bilgiyi nasıl barındırdığını açıklayan DNA yapısının keşfiyle sonuçlanmıştır.
Yükleniyor