В съвременната научна общност има няколко теории за метода на предаване на информация от родителите на потомците: от вълна до футуристичен тип групи свръхсмисли. Фактът обаче, че именно молекулите на ДНК са материалната основа за приемствеността на организмите, не предизвиква спор. Разбирането как се формират доказателства в научната общност за генетичната роля на ДНК и какви са те, е целта на тази статия.
Малко теория за небиолозите
За да разберем темата и самата същност на доказването на ролята на ДНК в наследствеността, припомняме само някои общи понятия и термини, използвани в текста. Молекулярните биолози и други професионални биолози може да не четат тази част - концепциите са дадени в опростен вариант за заинтересованата част от читателите. Въпреки че съвременната специализация в биологията днес нарасна толкова много, че професионален природозащитник не винаги ще пробие в разбирането на същността на еволюционните механизми, а спецификата на развитието на жабешки ембрион не се разбира еднозначно от ботаниците. Това са условията:
- ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) и РНК (рибонуклеинова киселина) са дълги и големи молекули, състоящи се от мономери - нуклеотиди.
- ДНК и РНК се наричат нуклеинови киселини.
- ДНК и РНК се образуват само от четири нуклеотида (три еднакви, един различни по ДНК и РНК) - нуклеотидите са универсални за всички живи същества на планетата. Това са сложни органични съединения от азотна основа, въглехидратни остатъци и фосфорна киселина. Те се наричат адеин, гуанин, тимин и цитозин (урацил).
- Нуклеотидите образуват триплети - те кодират една аминокиселина от двадесет.
- Тройните образуват вериги в състава на нуклеиновите киселини, което съответства на верига от аминокиселини или един специфичен протеин. Протеините са основата на живота на планетата, те са специфични и уникални.
- Генът е парче нуклеинова киселина, която е отговорна за един протеин.
- Геном - съвкупността от целия генетичен материал на тялото.
Малко история
Швейцарският биолог Ф. Мишер през 1869 г. вижда вериги в ядрата на гнойни клетки (левкоцити), които той нарича нуклеинови киселини.
Немският А. Касел като биохимик изчислява техния състав: захар, фосфорна киселина и пет разновидности на азотни основи. Той през 1891 г. доказа, че има две нуклеинови киселини - ДНК и РНК. В периода от тези открития до 1953 г. са проведени изследвания за химичния състав и структурата на нуклеиновите киселини. Известни фамилни имена от този период са Ф. Льовен, А. Тод, Е. Чаргаф. Експериментите, започнати от F. Griffith (1928) и продължени от O. Avery, C. MacLeod и M. McCarthy (1944), предоставят доказателства за ролята на ДНК в преноса на генетична информация, повече за това по-късно. През 1953 г. американците Дж. Уотсън и Ф. Крик предлагат модел на структурата на ДНК под формата на двойна усукана спирала, която била известна дори на ученик. Това е, роди се молекулярната биология!
От протеин до ДНК
В този момент нуклеиновите киселини изглеждаха като странен материал в ядрото на клетката. За какво са необходими тези образувания, те не знаеха и още по-малко не търсеха доказателства за генетичната роля на нуклеиновите киселини. Протеините, състоящи се от аминокиселини и имат по-сложна химическа структура, вече са открити. Именно протеините се считаха за носители на наследствена информация.
Материалът, който носи наследствена информация, е първият, който се съмнява в английския бактериолог Ф. Грифит през 1928г. И въпреки че не можа да предостави убедителни доказателства за генетичната роля на ДНК, неговите експерименти заслужават внимание.
Грифит пневмококови щамове
Фредерик Грифит, бактериолог от Англия, зарази мишки с вируси Pneutnococcus pneumoniae, което предизвика пневмония в тях, а животните умряха. Пневмококите съществуват в две форми - инфекциозна (вирулентна) и неинфекциозна (авирулентна). Тези форми се различават лесно. Вирулентният пневмокок има мукополизахаридна капсула, която защитава клетката. Авирулентните капсули нямат и не могат да се защитят от имунни клетки на мишката, следователно мишките не развиват пневмония. Постулатът на онова време: нагрявания вирулентен пневмокок става авирулент. Биолог заразява мишките със смес от нагрят вирулентен щам и жив авирулент (без капсули). Мишките умират. В телата им ученият открива живи пневмококи с капсулна обвивка. Заключение на Грифит: от мъртви вирулентни пневмококи до живи, но без капсули форми, се предава нещо („трансформиращ агент“), който „преобразува“ авирулентните форми във вирулентни с фиксиран атрибут като наследствен (пневмококите се размножават бързо: тези, които са намерили в трупове мишки - стотото поколение на първата). И тъй като вирусите нямат нищо по структура освен нуклеиновите киселини (ДНК и РНК), всъщност Ф. Грифит притежава първите доказателства за генетичната роля на ДНК и РНК, въпреки че ги нарича „трансформиращ агент“. Спомнете си, че това се е случило през 1928 година.
Експериментални доказателства за ролята на ДНК в трансфера на информация
Почти същото, което направи Грифит, само без лоши мишки, беше направено през 1944 г. от О. Т. Ейвъри, К. М. МакЛейд и М. Маккарти. В Института за медицински изследвания на Рокфелер в Ню Йорк те са получили in vitro (in vitro) чисто средство за преобразуване на Грифит от убити вирулентни форми и го смесват, отново in vitro, с авирулентни форми. Получени капсулирани патогени. И тогава проучихме състава на същия този агент. Отначало те доказаха, че това не е протеин и това само по себе си вече е иновация. Е, тогава стигнаха до извода, че това средство е нуклеинова киселина. Тези американски експерименти са пряко доказателство за генетичната роля на ДНК при предаването на наследствена информация. Но не единствените, които науката счита за класика.
Второто от класическите доказателства за генетичната роля на ДНК
Първото, което вече описахме - това са експериментите на Avery - MacLeod - M. McCarthy.
Класика на биологията - още два експеримента като пряко доказателство за генетичната роля на ДНК. Описанието се свежда до точката.
Американският генетик Алфред Херши получи Нобеловата награда (1969 г.) за тези експерименти. Интересна поредица от експерименти на Херши и Марта Чейс, проведени през 1952 г. във Вашингтонския университет в Сейнт Луис с бактерии и бактериофаги, белязани с радиоактивен фосфор и сяра. Техните открития, че именно бактериофагната ДНК прониква в бактериите и поражда нови бактериофаги, е класическо доказателство за генетичната роля на ДНК.
Трети опит
Немско-американският биохимик Хайнц Лудвиг Френкел-Конрат получи наградата Ласкер (1958 г.) за своите изследвания. В Калифорнийския университет през 1957 г. той провежда експерименти с вируса на тютюневата мозайка. Схемата им е подобна на тези на Грифит. Неговото постижение е, че доказа участието на РНК в предаването на наследствена информация.
Интересни съвременни доказателства
Съвременната молекулярна биология и генетика постоянно ни предоставя нови доказателства за генетичната роля на ДНК. По-долу са дадени някои много интересни, неочаквани и впечатляващи факти от проучвания на съвременната наука, които по един или друг начин доказват ролята на ДНК при формирането на организъм.
През 2007 г. учените успяха да изолират част от ДНК на земноводните, която е отговорна за образуването на окото. Днес вече има саламандри с очи на краката и опашката.
В генома на козите учените са имплантирали гена на паяка, отговорен за протеина в мрежата, в резултат на това протеин се появи в млякото на козите. След специална обработка и извличане на протеин от мляко се образува паякова коприна.
Холандците отглеждат крави с човешкия ген, отговорен за специфичния млечен протеин на жените - лактоферин. Този протеин играе важна роля в първичния имунитет на кърмачетата. Тестването на кравето мляко продължава, но перспективите за използването му в медицината са впечатляващи.
Допълвайки гена на ембриона на прасенца с гена на флуоресцентни протеини от медузи, китайските учени са отгледали две прасенца със зелена светлина.
През 2008 г. светът разпространи новината за раждането на дете с изкуствено модифициран геном. Това се случи в Лондон, където жена се съгласи на експеримент заради откритите генетични аномалии в генома на ембриона.
Човешките химери съществуват. В ДНК тест за бащинство през 2002 г. тест показа, че американката Лидия Феърчайлд не е майка на нероденото си дете. Проучванията се повтарят, но анализът показва същите резултати. Оказа се, че тялото на Лидия се е развило от две яйцеклетки, оплодени от различни сперматозоиди и слети в ранните етапи на онтогенезата. Следователно тялото й се състои от тъкани и клетки с различен набор от хромозоми.
Всеки знае за ДНК тестване за бащинство или в съдебната практика. Но ДНК тестовете се използват и за проверка на истинността на продуктите. Например, можете да зададете място за събиране на хайвер или грозде за хубаво вино.
В света има 4 семейства, чиито членове нямат отпечатъци. Адерматоглифията се причинява от рядка мутация на отделен ген.
Редуването на съня и будността при хората контролира гена hDEC2; мутацията му намалява нуждата от сън до 4 часа.
Криогенетиката има успех в клонирането на мишка, която е била замразена от 16 години. Учените не са се научили да възраждат „полярните изследователи“, но можете да ги клонирате.
И малко за най-уникалната молекула
- 10 милиарда километра, от земята до Плутон и обратно - това е дължината на човешката ДНК, ако се разложи.
- Възможно е да отпечатате целия човешки геном със скорост 8 знака в секунда, като работите по 8 часа на ден, в продължение на 50 години.
- Цялата информация в света, която се съхранява в цифров формат, може да се побере в два грама ДНК.
- На „безсмъртния“ твърд диск, съхраняван на космическата станция, в случай на катастрофа се поставя ДНК на известни хора, включително Стивън Хокинг и Ланс Армстронг.
- Във всяка клетка на нашето тяло всяка молекула на ДНК претърпява различни щети около милион пъти на ден. Обаче все още сме живи - о, чудо!
За да обобщим
Въпреки успехите на молекулярната биология и познанията ни за ДНК, човечеството все още не знае отговорите на много въпроси. Кой знае какви открития ни очакват в бъдеще, ще се лиши ли човечеството от наследствени болести и ще остарее ли ще бъде победен ...