Mūsdienu zinātniskajā aprindās ir vairākas teorijas par informācijas nodošanas metodi no vecākiem pēcnācējiem: no viļņa līdz futūristiskam supermindžu veidam. Tomēr fakts, ka tieši DNS molekulas ir materiālais pamats organismu nepārtrauktībai, neizraisa strīdus. Izpratne par to, kā zinātnieku aprindās ir izveidoti pierādījumi par DNS ģenētisko lomu un kādiem tie ir, ir šī raksta mērķis.
Nedaudz teorijas nebiologiem
Lai saprastu DNS lomas iedzimtībā pierādīšanas priekšmetu un pašu būtību, mēs atgādinām tikai dažus tekstā izmantotos vispārīgos jēdzienus un terminus. Molekulārie biologi un citi profesionālie biologi var neizlasīt šo daļu - jēdzieni ir doti vienkāršotā versijā lasītāju ieinteresētajai daļai. Kaut arī mūsdienu specializācija bioloģijā mūsdienās ir kļuvusi tik liela, ka profesionāls vides speciālists ne vienmēr izlauzīsies, lai izprastu evolūcijas mehānismu būtību, un vardes embrija attīstības specifiku botāniķi nesaprot viennozīmīgi. Tātad, šie ir termini:
- DNS (dezoksiribonukleīnskābe) un RNS (ribonukleīnskābe) ir garas un lielas molekulas, kas sastāv no monomēriem - nukleotīdiem.
- DNS un RNS sauc par nukleīnskābēm.
- DNS un RNS veido tikai četri nukleotīdi (trīs identiski, viens atšķiras DNS un RNS) - nukleotīdi ir universāli visām dzīvām būtnēm uz planētas. Tie ir sarežģīti organiski savienojumi no slāpekļa bāzes, ogļhidrātu atlikumiem un fosforskābes. Tos sauc par adeīniem, guanīnu, timīnu un citozīnu (uracilu).
- Nukleotīdi veido tripletus - tie kodē vienu aminoskābi no divdesmit.
- Triplets veido ķēdes nukleīnskābju sastāvā, kas atbilst aminoskābju ķēdei vai vienam specifiskam proteīnam. Olbaltumvielas ir dzīvības pamats uz planētas, tās ir specifiskas un unikālas.
- Gēns ir nukleīnskābes gabals, kas ir atbildīgs par vienu olbaltumvielu.
- Genoms - visa ķermeņa ģenētiskā materiāla kopums.
Nedaudz vēstures
Šveices biologs F. Mieshers 1869. gadā redzēja ķēdes strutas šūnu (leikocītu) kodolos, ko viņš sauca par nukleīnskābēm.
Vācietis A. Kasele kā bioķīmiķis aprēķināja to sastāvu: cukuru, fosforskābi un piecas slāpekļa bāzu šķirnes. Viņš 1891. gadā pierādīja, ka ir divas nukleīnskābes - DNS un RNS. Laika posmā no šiem atklājumiem līdz 1953. gadam tika veikti pētījumi par nukleīnskābju ķīmisko sastāvu un strukturālo organizāciju. Slaveni šī perioda uzvārdi ir F. Lēvens, A. Tods, E. Chargaff. Eksperimenti, ko uzsāka F. Grifits (1928) un turpināja O. Avery, C. MacLeod un M. McCarthy (1944), sniedza pierādījumus par DNS lomu ģenētiskās informācijas nodošanā, vairāk par to vēlāk. 1953. gadā amerikāņi J. Vatsons un F. Kriks ierosināja DNS struktūras modeli dubultā savītas spirāles formā, kas bija zināms pat skolniekam. Tas arī ir, dzimis molekulārā bioloģija!
No olbaltumvielām līdz DNS
Tajā brīdī nukleīnskābes šūnas kodolā šķita kā savādi materiāli. Par to, kādi šie veidojumi ir nepieciešami, viņi nezināja un vēl mazāk nemeklēja pierādījumus par nukleīnskābju ģenētisko lomu. Jau ir atklāti olbaltumvielas, kas sastāv no aminoskābēm un kurām ir sarežģītāka ķīmiskā struktūra. Tieši olbaltumvielas tika uzskatītas par iedzimtas informācijas nesējām.
Materiāls, kas satur iedzimtu informāciju, bija pirmais, kas apšaubīja angļu bakteriologu F. Grifitu 1928. gadā. Un, kaut arī viņš nespēja sniegt pārliecinošus pierādījumus par DNS ģenētisko lomu, viņa eksperimenti ir pelnījuši uzmanību.
Grifita pneimokoku celmi
Frederiks Grifits, bakteriologs no Anglijas, inficēja peles ar Pneutnococcus pneumoniae vīrusiem, kas viņos izraisīja pneimoniju, un dzīvnieki nomira. Pneimokoki pastāv divās formās - infekciozi (virulenti) un neinfekciozi (avirulenti). Šīs formas ir viegli atšķirt. Virulentam pneimokokam ir mukopolisaharīdu kapsula, kas aizsargā šūnu. Avirulentām kapsulām nav un tās nevar aizsargāties pret peļu imūno šūnām, tāpēc pelēm neattīstās pneimonija. Tā laika postulāts: sakarsēts virulents pneimokoku kļūst avirulents. Biologs inficē peles ar uzkarsēta virulenta celma un dzīva avirulenta (bez kapsulas) maisījumu. Peles mirst. Viņu ķermenī zinātnieks atklāj dzīvus pneimokokus ar kapsulas apvalku. Grifita secinājums: no mirušiem virulentiem pneimokokiem uz dzīvām, bet bez kapsulām esošām formām tiek pārnests kaut kas (“pārveidojošs līdzeklis”), kas “pārveido” avirulentās formas virulentās formās ar fiksētu atribūtu kā iedzimtu (pneimokoki ātri vairojas: tie, ko viņš atradis līķos) peles - pirmās simtās paaudzes). Un tā kā vīrusu struktūrā nav nekas cits kā nukleīnskābes (DNS un RNS), patiesībā F. Griffith ir tas, kam ir pirmie pierādījumi par DNS un RNS ģenētisko lomu, lai gan viņš tos sauca par “pārveidojošo aģentu”. Atgādināt, ka tas notika 1928. gadā.
Eksperimentāli pierādījumi par DNS lomu informācijas nodošanā
Gandrīz to pašu, ko darīja Grifits, tikai bez nabadzīgām pelēm, 1944. gadā izdarīja O. T. Avery, K. M. MacLeod un M. McCarthy. Rokfellera Medicīnas pētījumu institūtā Ņujorkā viņi in vitro (in vitro) ieguva tīru Grifita pārveidojošo līdzekli no nogalinātām virulentām formām un atkal sajauc to in vitro ar avirulentām formām. Saņemtie iekapsulētie patogēni. Un tad mēs izpētījām šī paša aģenta sastāvu. Sākumā viņi pierādīja, ka tas nav olbaltumvielas, un tas pats par sevi jau bija jauninājums. Tad viņi nonāca pie secinājuma, ka šis līdzeklis ir nukleīnskābe. Šie amerikāņu eksperimenti ir tiešs pierādījums par DNS ģenētisko lomu iedzimtas informācijas pārraidē. Bet ne tikai tie, kurus zinātne uzskata par klasiku.
Otrais no klasiskajiem pierādījumiem par DNS ģenētisko lomu
Pirmais, ko mēs jau aprakstījām - tie ir Avery - MacLeod - M. McCarthy eksperimenti.
Bioloģijas klasika - vēl divi eksperimenti kā tiešs pierādījums DNS ģenētiskajai lomai. Apraksts ir samazināts līdz punktam.
Amerikāņu ģenētiķis Alfrēds Heršē par šiem eksperimentiem saņēma Nobela prēmiju (1969). Interesanta Hershey un Martha Chase eksperimentu sērija, kas tika veikta 1952. gadā Vašingtonas universitātē Sentluisā ar baktērijām un bakteriofāgiem, kas marķēti ar radioaktīvo fosforu un sēru. Viņu secinājumi, ka tieši bakteriofāgu DNS iekļūst baktērijās un rada jaunus bakteriofāgus, ir klasisks DNS ģenētiskās lomas pierādījums.
Trešā pieredze
Vācu-amerikāņu bioķīmiķis Heinzs Ludvigs Frenkels-Konrāts par savu pētījumu saņēma Laskera balvu (1958). Kalifornijas universitātē 1957. gadā viņš veica eksperimentus ar tabakas mozaīkas vīrusu. Viņu shēma ir līdzīga Grifita shēmai. Viņa sasniegums ir tāds, ka viņš pierādīja RNS dalību iedzimtās informācijas nodošanā.
Interesanti mūsdienu pierādījumi
Mūsdienu molekulārā bioloģija un ģenētika pastāvīgi sniedz mums jaunus pierādījumus par DNS ģenētisko lomu. Tālāk ir sniegti daži ļoti interesanti, negaidīti un iespaidīgi mūsdienu zinātnes pētījumu fakti, kas tādā vai citādā veidā pierāda DNS lomu organisma veidošanā.
2007. gadā zinātnieki varēja izolēt abinieku DNS, kas ir atbildīga par acs veidošanos. Šodien jau ir salamandri ar acīm uz kājām un asti.
Kazu genomā zinātnieki ir implantējuši zirnekļa gēnu, kas ir atbildīgs par tīmekļa olbaltumvielu, kā rezultātā šis proteīns parādījās kazu pienā. Pēc īpašas pārstrādes un olbaltumvielu ekstrahēšanas no piena veidojas zirnekļa zīds.
Holandieši audzēja govis ar cilvēka gēnu, kas atbild par īpašu sieviešu piena olbaltumvielu - laktoferrīnu. Šim proteīnam ir liela nozīme zīdaiņu primārajā imunitātē. Govju piena pārbaude turpinās, taču izredzes to lietot medicīnā ir iespaidīgas.
Papildinot sivēnu embrija gēnu ar fluorescējošo medūzu olbaltumvielu gēnu, ķīniešu zinātnieki izaudzējuši divus zaļi apgaismotus sivēnus.
2008. gadā pasaule izplatīja ziņas par bērna piedzimšanu ar mākslīgi modificētu genomu. Tas notika Londonā, kur sieviete piekrita eksperimentam atklāto ģenētisko anomāliju dēļ embrija genomā.
Cilvēka himeras pastāv. 2002. gada DNS testā par paternitāti šis tests parādīja, ka amerikāniete Lidija Fērčilda nav sava nedzimušā bērna māte. Pētījumi atkārtojās, bet analīze parādīja tos pašus rezultātus. Izrādījās, ka Lidijas ķermenis attīstījās no divām olām, tās apaugļoja dažādas spermas un saplūda agrīnās ontoģenēzes stadijās. Tāpēc viņas ķermenis sastāv no audiem un šūnām ar atšķirīgu hromosomu komplektu.
Ikviens zina par DNS paternitātes testēšanu vai tiesu praksē. Bet DNS testus izmanto arī produktu autentiskuma pārbaudei. Piemēram, jūs varat iestatīt ikru vai vīnogu vākšanas vietu smalkam vīnam.
Pasaulē ir 4 ģimenes, kuru locekļiem nav pirkstu nospiedumu. Adermatoglifiju izraisa reta viena gēna mutācija.
Miega un modrības maiņa cilvēkiem kontrolē hDEC2 gēnu, tā mutācija samazina vajadzību pēc miega līdz 4 stundām.
Krioģenētika ir bijusi veiksmīga peles klonēšanā, kura ir sasalusi 16 gadus. Zinātnieki nav iemācījušies atdzīvināt "polārpētniekus", taču jūs varat tos klonēt.
Un nedaudz par visvairāk unikālo molekulu
- 10 miljardi kilometru no zemes līdz Plutonam un otrādi - tas ir cilvēka DNS garums, ja tas sadalās.
- 50 gadus ir iespējams izdrukāt visu cilvēka genomu ar ātrumu 8 rakstzīmes sekundē, strādājot 8 stundas dienā.
- Visa pasaules informācija, kas tiek glabāta digitālā formātā, var ietilpt divos gramos DNS.
- Uz "nemirstīgā" cietā diska, kas tiek glabāts kosmosa stacijā, katastrofas gadījumā tiek ievietota slavenu cilvēku, tostarp Stefana Hawkinga un Lance Ārmstronga, DNS.
- Katrā mūsu ķermeņa šūnā katra DNS molekula tiek pakļauta dažādiem bojājumiem apmēram miljons reizes dienā. Tomēr mēs joprojām esam dzīvi - ak, brīnums!
Rezumējot
Neskatoties uz molekulārās bioloģijas panākumiem un mūsu zināšanām par DNS, cilvēce vēl nezina atbildes uz daudziem jautājumiem. Kas zina, kādi atklājumi mūs sagaida nākotnē, vai cilvēce atbrīvosies no iedzimtām slimībām un novecošanās tiks uzvarēta ...