We współczesnym środowisku naukowym istnieje kilka teorii na temat metody przekazywania informacji od rodziców do potomków: od fal po futurystyczne typy grup nadludzkich. Jednak fakt, że to cząsteczki DNA stanowią materialną podstawę ciągłości organizmów, nie budzi kontrowersji. Zrozumienie, w jaki sposób w środowisku naukowym powstały dowody na temat genetycznej roli DNA i tego, czym one są, jest celem tego artykułu.
Trochę teorii dla nie-biologów
Aby zrozumieć temat i samą istotę dowodu na rolę DNA w dziedziczności, przypominamy tylko niektóre ogólne pojęcia i terminy użyte w tekście. Biolodzy molekularni i inni profesjonalni biolodzy nie mogą czytać tej części - koncepcje są podane w uproszczonej wersji dla zainteresowanej części czytelników. Chociaż współczesna specjalizacja w dziedzinie biologii wzrosła tak bardzo, że profesjonalny ekolog nie zawsze przebije się do zrozumienia istoty mechanizmów ewolucyjnych, a specyfika rozwoju zarodka żaby nie jest jednoznacznie zrozumiana przez botaników. Oto następujące warunki:
- DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) i RNA (kwas rybonukleinowy) to długie i duże cząsteczki składające się z monomerów - nukleotydów.
- DNA i RNA nazywane są kwasami nukleinowymi.
- DNA i RNA tworzą tylko cztery nukleotydy (trzy identyczne, jeden inny w DNA i RNA) - nukleotydy są uniwersalne dla wszystkich żywych istot na planecie. Są to złożone związki organiczne z zasady azotowej, pozostałości węglowodanowej i kwasu fosforowego. Nazywa się je adeina, guanina, tymina i cytozyna (uracyl).
- Nukleotydy tworzą trojaczki - kodują jeden aminokwas na dwadzieścia.
- Trojaczki tworzą łańcuchy w składzie kwasów nukleinowych, który odpowiada łańcuchowi aminokwasów lub jednego określonego białka. Białka są podstawą życia na planecie, są specyficzne i niepowtarzalne.
- Gen to kawałek kwasu nukleinowego, który jest odpowiedzialny za jedno białko.
- Genom - całość całego materiału genetycznego ciała.
Trochę historii
Szwajcarski biolog F. Miescher w 1869 roku widział łańcuchy w jądrach komórek ropy (leukocytów), które nazwał kwasami nukleinowymi.
Niemiecki A. Kassel jako biochemik obliczył ich skład: cukier, kwas fosforowy i pięć odmian zasad azotowych. W 1891 roku udowodnił, że istnieją dwa kwasy nukleinowe - DNA i RNA. W okresie od tych odkryć do 1953 r. Przeprowadzono badania składu chemicznego i struktury strukturalnej kwasów nukleinowych. Znane nazwiska z tego okresu to F. Leuven, A. Todd, E. Chargaff. Eksperymenty rozpoczęte przez F. Griffitha (1928) i kontynuowane przez O. Avery'ego, C. MacLeoda i M. McCarthy'ego (1944), dostarczyły dowodów na rolę DNA w przekazywaniu informacji genetycznej, więcej na ten temat później. W 1953 r. Amerykanie J. Watson i F. Crick zaproponowali model struktury DNA w postaci podwójnie skręconej helisy, który był nawet znany studentowi. To wszystko, narodziła się biologia molekularna!
Od białka do DNA
W tym momencie kwasy nukleinowe wydawały się dziwnym materiałem w jądrze komórki. Po co te formacje są potrzebne, nie wiedzieli, a tym bardziej nie szukali dowodów na genetyczną rolę kwasów nukleinowych. Białka złożone z aminokwasów o bardziej złożonej strukturze chemicznej zostały już odkryte. To białka uważano za nośniki informacji dziedzicznej.
Materiał, który zawiera informacje dziedziczne, jako pierwszy wątpił w angielskiego bakteriologa F. Griffitha w 1928 r. I chociaż nie mógł dostarczyć przekonujących dowodów na genetyczną rolę DNA, jego eksperymenty zasługują na uwagę.
Szczepy pneumokokowe Griffith
Frederick Griffith, bakteriolog z Anglii, zaraził myszy wirusami Pneutnococcus pneumoniae, które spowodowały zapalenie płuc, i zwierzęta padły. Pneumokoki występują w dwóch postaciach - zakaźnej (zjadliwej) i niezakaźnej (zjadliwej). Te formy są łatwe do rozróżnienia. Zjadliwy pneumokok ma kapsułkę mukopolisacharydową, która chroni komórkę. Niegazliwe kapsułki nie mają i nie mogą się obronić przed mysimi komórkami odpornościowymi, dlatego u myszy nie rozwija się zapalenie płuc. Postulat tego czasu: podgrzany zjadliwy pneumokok staje się wirulentny. Biolog zaraża myszy mieszaniną podgrzanego zjadliwego szczepu i żywego, zjadliwego (bez kapsułek). Myszy umierają. W swoich ciałach naukowiec odkrywa żywe pneumokoki z otoczką kapsułki. Konkluzja Griffitha: od martwych zjadliwych pneumokoków do żywych, ale pozbawionych kapsułek form, coś jest przenoszone („czynnik transformujący”), który „przekształca” zjadliwe formy w zjadliwe z ustalonym atrybutem dziedzicznym (pneumokoki szybko się mnożą: te, które znalazł w zwłokach myszy - setne pokolenie pierwszego). A ponieważ wirusy nie mają nic w strukturze oprócz kwasów nukleinowych (DNA i RNA), tak naprawdę F. Griffith jest właścicielem pierwszych dowodów genetycznej roli DNA i RNA, chociaż nazwał je „czynnikiem transformującym”. Przypomnij sobie, że stało się to w 1928 roku.
Dowody eksperymentalne na rolę DNA w przekazywaniu informacji
Prawie to samo, co zrobił Griffith, tylko bez biednych myszy, zostało zrobione w 1944 roku przez O. T. Avery'ego, K. M. MacLeoda i M. McCarthy'ego. W Rockefeller Institute for Medical Research w Nowym Jorku uzyskali in vitro (in vitro) czysty środek transformujący Griffitha z zabitych zjadliwych postaci i zmieszali go, ponownie in vitro, z postaciami niejadliwymi. Otrzymano kapsułkowane patogeny. A następnie przestudiowaliśmy skład tego samego agenta. Na początku udowodnili, że nie jest to białko i że samo w sobie jest już innowacją. Potem doszli do wniosku, że ten środek to kwas nukleinowy. Te amerykańskie eksperymenty są bezpośrednim dowodem genetycznej roli DNA w przekazywaniu informacji dziedzicznej. Ale nie jedyne, które nauka uważa za klasykę.
Drugi z klasycznych dowodów na genetyczną rolę DNA
Pierwsze, które już opisaliśmy - są to eksperymenty Avery - MacLeod - M. McCarthy.
Klasyka biologii - dwa kolejne eksperymenty jako bezpośredni dowód genetycznej roli DNA. Opis jest zredukowany do rzeczy.
Amerykański genetyk Alfred Hershey otrzymał za te eksperymenty Nagrodę Nobla (1969). Interesująca seria eksperymentów Hersheya i Marty Chase przeprowadzonych w 1952 r. Na University of Washington w St. Louis z bakteriami i bakteriofagami znakowanymi radioaktywnym fosforem i siarką. Ich odkrycia, że DNA bakteriofaga przenika do bakterii i rodzi nowe bakteriofagi, są klasycznym dowodem genetycznej roli DNA.
Trzecie doświadczenie
Niemiecko-amerykański biochemik Heinz Ludwig Frenkel-Konrat otrzymał za swoje badania nagrodę Lasker (1958). Na University of California w 1957 roku przeprowadził eksperymenty z wirusem mozaiki tytoniowej. Ich schemat jest podobny do Griffitha. Jego osiągnięciem jest udowodnienie udziału RNA w przekazywaniu informacji dziedzicznych.
Interesujące współczesne dowody
Współczesna biologia molekularna i genetyka nieustannie dostarczają nam nowych dowodów na genetyczną rolę DNA. Poniżej podano niektóre bardzo interesujące, nieoczekiwane i imponujące fakty z badań współczesnej nauki, które w taki czy inny sposób dowodzą roli DNA w tworzeniu organizmu.
W 2007 r. Naukowcy byli w stanie wyizolować część DNA płazów, która jest odpowiedzialna za tworzenie oka. Dziś są już salamandry z oczami na stopach i ogonie.
W genomie kóz naukowcy wszczepili gen pająka odpowiedzialny za białko sieciowe, w wyniku czego białko to pojawiło się w mleku kóz. Po specjalnej obróbce i ekstrakcji białka z mleka powstaje jedwab pająk.
Holendrzy hodowali krowy z ludzkim genem odpowiedzialnym za specyficzne białko mleka kobiet - laktoferynę. Białko to odgrywa ważną rolę w pierwotnej odporności niemowląt. Trwają badania mleka krowiego, ale perspektywy jego zastosowania w medycynie są imponujące.
Uzupełniając gen zarodka prosiąt fluorescencyjnym genem białka meduz, chińscy naukowcy wyhodowali dwa zielone prosięta.
W 2008 r. Świat rozpowszechnił wieści o narodzinach dziecka ze sztucznie zmodyfikowanym genomem. Stało się to w Londynie, gdzie kobieta zgodziła się na eksperyment z powodu odkrytych nieprawidłowości genetycznych w genomie zarodka.
Istnieją ludzkie chimery. W teście DNA na ojcostwo w 2002 r. Test wykazał, że amerykańska Lydia Fairchild nie jest matką nienarodzonego dziecka. Badania powtórzyły się, ale analiza wykazała te same wyniki. Okazało się, że ciało Lidii rozwinęło się z dwóch jaj, zapłodnionych różnymi plemnikami i zlewało się we wczesnych stadiach ontogenezy. Dlatego jej ciało składa się z tkanek i komórek z innym zestawem chromosomów.
Wszyscy wiedzą o testach DNA na ojcostwo lub w praktyce sądowej. Ale testy DNA są również wykorzystywane do weryfikacji autentyczności produktów. Na przykład możesz ustawić miejsce zbiórki kawioru lub winogron na dobre wino.
Na świecie są 4 rodziny, których członkowie nie mają odcisków palców. Adermatoglyphia jest spowodowany rzadką mutacją jednego genu.
Naprzemienność snu i czuwania u ludzi kontroluje gen hDEC2; jego mutacja zmniejsza potrzebę snu do 4 godzin.
Kriogenetyka z powodzeniem klonuje mysz, która została zamrożona przez 16 lat. Naukowcy nie nauczyli się ożywić „odkrywców polarnych”, ale można ich sklonować.
I trochę o najbardziej unikalnej cząsteczce
- 10 miliardów kilometrów, od Ziemi do Plutona i odwrotnie - jest to długość ludzkiego DNA, jeśli się rozkłada.
- Możliwe jest wydrukowanie całego ludzkiego genomu z prędkością 8 znaków na sekundę, pracując 8 godzin dziennie przez 50 lat.
- Wszystkie informacje na świecie przechowywane w formacie cyfrowym mieszczą się w dwóch gramach DNA.
- Na „nieśmiertelnym” dysku twardym przechowywanym na stacji kosmicznej, w przypadku katastrofy, umieszczane jest DNA sławnych ludzi, w tym Stephena Hawkinga i Lance'a Armstronga.
- W każdej komórce naszego ciała każda cząsteczka DNA ulega różnym uszkodzeniom około miliona razy dziennie. Jednak wciąż żyjemy - och, cud!
Podsumowując
Pomimo sukcesów biologii molekularnej i naszej wiedzy na temat DNA ludzkość nie zna jeszcze odpowiedzi na wiele pytań. Kto wie, jakie odkrycia czekają na nas w przyszłości, czy ludzkość pozbędzie się chorób dziedzicznych, a starzenie się zostanie pokonane ...