14.1 Sögulegur grunnur nútímaskilnings
Námsmarkmið
Í lok þessa hluta munt þú geta:
- Útskýrt erfðaummyndun baktería
- Lýst lykiltilraunum sem sýndu að DNA er erfðaefnið
- Sett fram og útskýrt reglur Chargaffs
Nútímaskilningur okkar á DNA hófst með uppgötvun kjarnsýra og síðar þróun tvöfalda gormlíkans DNA. Á sjöunda áratug 19. aldar einangraði Friedrich Miescher (mynd 14.2), sem var læknir að mennt, fosfatrík efni úr hvítum blóðkornum (hvítfrumum). Hann nefndi þessi efni, sem síðar urðu þekkt sem DNA, núkleín vegna þess að þau voru einangruð úr frumukjörnum.
Hálfri öld síðar, árið 1928, greindi breski sýklafræðingurinn Frederick Griffith fyrstur frá erfðaummyndun baktería, ferli þar sem fruma tekur upp utanaðkomandi DNA og breytir þar með gerð sinni og lífeðlisfræði. Griffith gerði tilraunir sínar með Streptococcus pneumoniae, bakteríu sem veldur lungnabólgu. Griffith vann með tvo stofna þessarar bakteríu, hrjúfan (R) og sléttan (S). Frumugerðirnar tvær voru nefndar „hrjúfar“ og „sléttar“ eftir útliti þyrpinga þeirra á næringaragarplötu.
R-stofninn er ekki sjúkdómsvaldandi (veldur ekki sjúkdómi). S-stofninn er sjúkdómsvaldandi og hefur hjúp utan um frumuvegginn. Hjúpurinn gerir frumunni kleift að komast hjá ónæmissvörun hýsilmúsarinnar.
Þegar Griffith sprautaði lifandi S-stofni í mýs dóu þær úr lungnabólgu. Þegar hann sprautaði lifandi R-stofni í mýs lifðu þær hins vegar af. Í annarri tilraun lifðu mýsnar einnig af þegar hann sprautaði þær með hitadrepnum S-stofni. Þessi tilraun sýndi að hjúpurinn einn og sér olli ekki dauða músanna. Í þriðju tilraunaröðinni var blöndu af lifandi R-stofni og hitadrepnum S-stofni sprautað í mýs og, honum til undrunar, dóu mýsnar. Þegar lifandi bakteríur voru einangraðar úr dauðu músunum fékkst aðeins S-stofn baktería. Þegar þessum einangraða S-stofni var sprautað í nýjar mýs dóu þær. Griffith ályktaði að eitthvað hefði borist frá hitadrepna S-stofninum yfir í lifandi R-stofninn og umbreytt honum í sjúkdómsvaldandi S-stofn. Hann kallaði þetta ummyndunarþáttinn (mynd 14.3). Þessar tilraunir eru nú þekktar sem ummyndunartilraunir Griffiths.
Vísindamennirnir Oswald Avery, Colin MacLeod og Maclyn McCarty (1944) vildu rannsaka þennan ummyndunarþátt nánar. Þeir einangruðu S-stofninn úr dauðum músum og einangruðu prótein og kjarnsýrur (RNA og DNA), enda voru þetta möguleg burðarefni erfða. Þeir notuðu ensím sem brutu sértækt niður hvern þátt fyrir sig og notuðu síðan hverja blöndu sérstaklega til að ummynda R-stofninn. Þeir komust að því að þegar DNA var brotið niður gat blandan ekki lengur ummyndað bakteríurnar, en allar hinar blöndurnar gátu það. Þetta leiddi til þeirrar niðurstöðu að DNA væri ummyndunarþátturinn.
Þó að tilraunir Avery, McCarty og MacLeod hefðu sýnt að DNA væri upplýsingaburðurinn sem fluttist við ummyndun, var DNA enn talið of einföld sameind til að bera líffræðilegar upplýsingar. Prótein, með 20 mismunandi amínósýrur, voru talin líklegri burðarefni. Úrslitatilraunin, sem Martha Chase og Alfred Hershey gerðu árið 1952, staðfesti að DNA væri sannarlega erfðaefnið en ekki prótein. Chase og Hershey rannsökuðu bakteríufaga, veiru sem sýkir bakteríur. Veirur hafa yfirleitt einfalda byggingu: próteinhjúp, sem kallast veiruhylki, og kjarnsýrukjarna sem inniheldur erfðaefnið (annaðhvort DNA eða RNA). Bakteríufaginn sýkir hýsilbakteríuna með því að festast við yfirborð hennar og sprautar síðan kjarnsýru sinni inn í frumuna. Faga-DNA myndar mörg afrit af sjálfu sér með því að nýta vélbúnað hýsilsins og að lokum springur hýsilfruman og losar mikinn fjölda bakteríufaga. Hershey og Chase völdu geislavirk frumefni sem greindu próteinið sérstaklega frá DNA í sýktum frumum. Þau merktu einn fagaskammt með geislavirkum brennisteini, ³⁵S, til að merkja próteinhjúpinn. Annar fagaskammtur var merktur með geislavirkum fosfór, ³²P. Þar sem fosfór er í DNA en ekki próteini myndi DNA, en ekki próteinið, merkjast með geislavirkum fosfór. Á sama hátt er brennisteinn ekki í DNA en er í nokkrum amínósýrum, svo sem meþíóníni og cysteini.
Hverjum fagaskammti var leyft að sýkja frumurnar sérstaklega. Eftir sýkingu var faga- og bakteríublandan sett í blandara, sem olli því að fagahjúpurinn losnaði frá hýsilfrumunni. Frumur sem höfðu verið útsettar nógu lengi til að sýking gæti átt sér stað voru síðan skoðaðar til að sjá hvor af geislavirku sameindunum tveimur hefði farið inn í frumuna. Faga- og bakteríublandan var skilin í skilvindu. Þyngri bakteríufrumurnar settust til botns og mynduðu botnfall, en léttari fagaagnirnar urðu eftir í flotinu. Í glasinu sem innihélt faga merkta með ³⁵S var flotið með geislamerktum fögum, en engin geislavirkni mældist í botnfallinu. Í glasinu sem innihélt faga merkta með ³²P mældist geislavirkni í botnfallinu, þar sem þyngri bakteríufrumurnar voru, en engin geislavirkni mældist í flotinu. Hershey og Chase ályktuðu að faga-DNA væri sprautað inn í frumuna og bæri upplýsingarnar sem þarf til að framleiða fleiri fagaagnir. Þannig sýndu þau fram á að DNA, en ekki prótein, væri erfðaefnið (mynd 14.4).
Um svipað leyti rannsakaði austurríski lífefnafræðingurinn Erwin Chargaff DNA-innihald mismunandi tegunda. Hann komst að því að adenín, týmín, gúanín og cýtósín voru ekki í jöfnu magni og að hlutfallslegur styrkur þessara fjögurra niturbasa var breytilegur milli tegunda, en ekki milli vefja sama einstaklings eða milli einstaklinga sömu tegundar. Hann uppgötvaði einnig nokkuð óvænt: magn adeníns var jafnt magni týmíns og magn cýtósíns var jafnt magni gúaníns (það er A = T og G = C). Mismunandi tegundir höfðu jafnt magn púrína (A + G) og pýrimídína (T + C), en hlutföll A + T á móti G + C voru mismunandi. Þessar athuganir urðu þekktar sem reglur Chargaffs. Niðurstöður Chargaffs reyndust mjög gagnlegar þegar Watson og Crick undirbjuggu tillögu sína að tvöfalda gormlíkani DNA. Eftir lestur síðustu síðna má sjá hvernig vísindin byggja á fyrri uppgötvunum, stundum í hægu og erfiðu ferli.