Biyologlar - Biyolojiye Gerçekçi Yaklaşım

DNA’nın Keşfi

---

Deoksiribo Nükleik asit veya kısaca DNA, tüm organizmalar ve bazı virüslerin canlılık işlevleri ve biyolojik gelişmeleri için gerekli olan genetik talimatları taşıyan bir nükleik asittir.

1865’te Gregor Mendel, bugünlerde “Gen” olarak tanımladığımız kavram ve kalıtsal olan faktörlerden bahsetmeye başladı. 1866’da “Bitki Melezleri Üzerine Deneyler” adlı makaleyle, Brünn’deki Doğa Bilimleri Derneği’nin dergisinde bulgularını yayınladı.

Hücre çekirdeğinde bulunan bileşenlerin tiplerini açığa çıkarmak için yapılan ilk girişimler moleküler biyolojide bir devrim yapmıştır. 1868 de Isviçreli bilimadamı Freedrich Miescher proteinleri parçalamak için pepsin ile bir hücreyi muamele ettiğinde çekirdeğin küçüldüğünü (büzüldüğünü); ama esas itibari ile bozulmadan kaldığını gösterdi. Miescher peptit parçalanmaya karşı dayanıklı olan bu çekirdek materyalinin başka pek çok ajanlarla muamele edildiğinde proteinden tamamen farklı davrandığını ve bir proteinde bulunması beklenen karbon, oksijen, hidrojen ve azotun yanı sıra fosfor elementini de içerdiğini gösterdi. Bütün bunlar çekirdeğin çok fazla miktarda protein ve bazı tanımlanamayan proteinden farklı bileşikler içerdiği sonucunu verdi. Miescher’in nüklein diye adlandırdığı proteinden farklı yapılar o zamandan beri nükleik asit olarak adlandırılmıştır. On yıl sonra Feulgen kendi nükleini parlak kırmızıya boyayan yöntemini tüm hücreye uyguladığında çekirdek DNA’sının kromozomlarda sınırlı olduğunu gördü. Feulgen’in yöntemi hâlâ kullanılmaktadır. Araştırmacılar belirli bir organizmanın bütün somatik hücrelerinin (gamet oluşturan germ hücrelerinin dışındaki tüm hücreler hatta diğer bileşenlerinin miktarının oldukça farklı olduğu karaciğer, böbrek, sinir ve kas gibi farklı dokulara ait hücrelerin) aynı miktarda DNA içerdiğini ve dahası, yumurta ve sperm hücrelerinin somatik hücrelerdekinin sadece yarısı kadar DNA içerdiğini kesin olarak göstermişlerdir. Moleküler biyologlar, hücrelerin asıl rolüne bakmaksızın hücre bölünmesi ile genlerin tam bir setinin her bir somatik hücreye dağıldığı, gamet oluşturan sperm ve yumurta hücrelerinin ise somatik hücrelerdekinin tam yarısı kadar genetik materyal içerdiği sonucuna varmışlardı. Bu durum DNA miktarının tüm somatik hücrelerde sabit olduğunun bulunması; fakat gametlerde yarısı kadar olması, genlerin esas materyalinin proteinler değil DNA olduğu fikrini vermekteydi. Fakat pek çok araştırmacı bu fikri ciddiye almadı. Çoğu organizmaların kromozomları hem protein hem de DNA içerdiğinden ve pek çok biyolog proteinin genetik materyal olduğunu; çünkü sadece proteinin bu kadar bilgiyi verebilecek kimyasal karmaşıklığa sahip olduğunu savunmaktaydı.

1902’de bir grup bilim insanı, hücresel bölünme esnasında kromozomların nasıl çift haline gelip ayrıldığını açıklayan “Kromozom Teorisi“ni ortaya attı.

 

Albrecht Kossel, nüklein temel yapı taşlarını anlamada büyük ilerleme kaydeden bir Alman biyokimyacıydı. 1881’de nükleini nükleik asit olarak tanımladı. Mevcut kimyasal adı (deoksirinonükleikasit) sağladı. DNA ve RNA’nın yapı taşları olan beş bazı tanımladı : Adenin (A), Guanin (G), Sitozin(C), Timin (T) ve Urasil (U). Bu çalışmaya 1910 yılında Nobel Fizyolji ya da Tıp Ödülü verildi.

 

Bu gelişmelerin ardından 1911 yılında Morgan, göz rengini belirleyen genlerin X kromozomuna bağlı olduğunu kanıtladı. Morgan ve ekibi, meyve sinekleri üzerinde çalışmalar yaparak kromozomların bu kalıtsal faktörlerin kaynağını anlamaya çalıştı.

FEULGEN – ROSSENBECK 1924 yıllarında ise Feulgen ve Rossenbeck timonükleik asidin çok duyarlı bir tepkimesini tanımladılar böylece her iki nükleik asidin her iki canlılar aleminde bulunduğu ispat edilebildi. ondan sonra timonükleik asit çekirdeğe , zimonükleik asit ise sitoplazmaya ait özgü yapı maddeleri sayıldı.

DNA Proteine Karşı

1928’e kadar kalıtım materyalinin protein olduğu tahmin ediliyordu. Birbirleri ile yarış halinde olan bilim insanlarından Frederick Griffith çalışmalara başladı. Bugün bile ders olarak anlatılabilen “Griffith Deneyi“ni gerçekleştirdi.

1928 Fred Griffith, İngiliz tıbbi bakteriyoloğu, zatürreye (pnomoni) neden olan bir bakteri türü olan pnömokoklar üzerine yaptığı ve şimdi klasik kabul edilen deneylerini anlatan bir yazı yayınladı. Griffith bir virulan (hastalığa neden olan) pnömokok suşu (S, “düzgün koloniler oluşturabilen”) ile bir nonvirulan (hastalık oluşturamayan) pnömokok suşunun (R, “pürüzlü koloniler oluşturabilen”) fareler üzerindeki etkisini çalıştı. Canlı R-bakteri suşu enjekte edilen farelerin yaşadığını, canlı S-bakteri suşu enjekte edilen farelerin hemen öldüğünü; ama ısıyla öldürülmüş S-bakteri suşu enjekte edilen farelerin ise yaşadığını gösterdi. Griffith’in bu sonuçları çok kolay anlaşılmaktadır; fakat diğer bir deneyin sonucu ise tamamen şaşırtıcıydı. Hem canlı R bakteri suşu ve hemde ısıyla öldürülmüş S bakteri suşu içeren karışım enjekte edilen fareler de öldüler. Nasıl oluyordu da nonvirulan ve ölü virulan bakteri karışımı fareyi öldürebiliyordu? Griffith ölü farenin vücudunu incelediğinde canlı S bakteri suşu ile dolu olduğunu gördü. Bunlar nereden gelmişti? Pek çok dikkatli deneyden sonra her nasılsa canlı R bakteri suşunun ölü S bakteri suşundan gelen bir materyal tarafından canlı S bakteri suşuna dönüştüğü sonucuna vardı. Transforme bakteri, kültür edildiğinde yeni S bakteri suşları üretmektedir. Büyük bir olasılıkla ölü bakteriden kalıtsal materyal canlı R suşu hücrelerine girmekte ve onları S suşu hücrelerine dönüştürmektedir.

LEVENE – MORİ 1929 yılında Levene ve Mori tarafından timonükleik asidin DNA zimonükleik asidin ise RNA Olduğu anlaşıldı.

DNA’nın çok uzun bir polimer olduğu 1930’da anlaşıldı.
1931 de diğer araştırmacılar bakteriyal transformasyon için aracı bir memeli canlı konakçıya gerek olmadığını gösterdiler; aynı şey test tüpü kültüründe de olmaktadır. İki yıl sonra, Rockefeller Enstitüsünden, (şimdi Rockefeller Üniversitesi), James L. Alloway transformasyon için S suşu hücrelerinin bütün halinde olmasının bile gerekmediğini, bir test tüpünde S bakterilerinin hücre içi kalıntılarının da yaşayan R bakterilerini S suşlarına transforme ettiğini göstermiştir. Görülüyor ki virulan suşun kalıtımsal karakteri, kendisinin orijinal hücresinin öldürülmesi (parçalanması) sırasında sağlam kalabilen bir madde tarafından nonvirulan hücreye aktarılmaktadır.

1920’lerin sonunda ve 1930’ların başında Griffith, Alloway ve diğerlerinin yaptığı çalışmalar diğer biyologlar için çok ilginçti; ama önemleri o dönemlerde tam anlaşılamadı. Ta ki 1944 te Rockofeller Enstitüsünden O.T. Avery, Colin MacLeod ve Maclyn Mc Carty’nin saflaştırma teknikleri yardımıyla transforme edici ajanın DNA olduğunu başka hiçbir şeyin gerekli olmadığını göstermesine kadar.
Bizim şimdiki bakış açımıza göre, bu sonuçlar, asıl genetik materyalin protein ya da bir nükleo protein kompleksinden ziyade DNA olduğunu gösteren kuvvetli kanıtlardır; ancak o dönemlerde pek çok bilim adamı ikna olmamıştır. Anlayan herkes için virulan suştan gelen DNA nonvirulan suştaki proteinbağımlı genleri aktive etmektedir.
Sonraki 10 yıl boyunca DNA ile ilgili bilgiler sürekli olarak arttı ve Griffith’in kanısını ve bulgularını destekleyecek yönde kuvvet kazandı. Saflaştırılmış DNA ile en az 30 farklı bakteriyel transformasyon gerçekleştirildi ve çok daha kuvvetli bir delil (bilgi) Carnegie Genetik Laboratuvarından Alfred D. Hershey ve Martha Chase tarafından gerçekleştirilen ve insan sindirim sisteminde bol olarak bulunan Escherichia coli’ye saldıran özel bir virüs tipi ile yapılan çalışmalardan geldi. Bu şekilde bakteri parçalayan virüsa bakteriyofaj, kısaca “faj” denir.
Virüsler protein bir kılıf ve nükleik asitten oluşan ve konakçı organizmanın hücresel mekanizmalarını kendi genlerini çoğaltmak için kullanan küçük parazitlerdir. Elektron mikroskopu belirli faj virüslerinin pek çok diğer tiplerden yapısal olarak daha karmaşık olduğunu ortaya çıkarmıştır.
Protein kılıfları iki bölüme ayrılır; bir baş bölümü (genetik materyali içerir) ve bir kınla kaplı ve 6 tane fiberi (kılları) olan içi boş uzun bir kuyruk bölümü. Elektron mikroskop görüntüleri böyle bir fajın bir bakteriye saldırdığı zaman kuyruk fiberleri ile tutunduğunu ve taban plağının bakteri hücre duvarına bağlandığını göstermektedir. Faja ait taban plağı ve fiber uçlar bakteriye ait hücre duvarındaki özgül bileşenlerle bağlanan özel proteinler içermektedir. Fajın protein kı lıfı hiçbir zaman bakteri hücresine gir mez. Fakat faj, hücre duvarına tutunduktan sonra bir saat içinde bakterinin içinde yeni fajlar belirir. Uygun bir zamanda, faj, sindirici bir enzim olan lizozimi ve diğer enzimleri kodlayan genlerini aktive eder, bunların aktiviteleri sonucunda bakteri hücresi çözünmüş olur ya da parçalanır ve düzinelerce hatta yüzlerce yeni faj etrafa yayılır.
Bakterinin parçalanması ile yayılan yeni fajlar genetik olarak bakteri enfeksiyonunu başlatan fajla tamamen aynıdır. Bu sonuç şu varsayımın yapılabilmesine olanak tanır; kalıtsal materyal bakteri duvarına tutunan faj tarafından bakteriye enjekte edilmiş olmalı ve bu kalıtsal materyal bakterinin metabolik makinesini gasp ederek ve konakçının kendi protein sentezini kapatan pek çok enzimler ve karmaşık protein kılıf yapısı için gerekli pek çok proteinler ile birlikte yeni faj genlerini imal edecek şekilde çalıştırmış olmalı ve belirli bir zamanda da hücreyi parçalamış olmalıdır.

Hershey ve Chase enfekte eden fajın bakteriye sadece DNA’sınımı, yoksa sadece proteinini mi ya da her ikisinden de bir miktar mı enjekte ettiğini anlamak için bir deney düzenlediler. Bu iki araştırıcı DNA molekülünün fosfor içerip, kükürt içermediği; fakat buna karşılık proteinin kükürt içerip ; fosfor içermediği prensibinden yararlanarak fosfor ve kükürdün radyoaktif izotoplarını kullanıp DNA’yı proteinden ayırmayı başardılar. Radyoaktif fosfor (32P) ve radyoaktif kükürt (35S) içeren bir ortamda büyüyen bakteri ortamında fajı ürettiler. Faj 35S’i proteinlerine, 32P’u ise DNA’sına kattı (Şekil 8.6 B). Hershey ve Chase daha sonra radyoaktif fajla nonradyoaktif bakteriyi enfekte ettiler. Fajın bakteri hücre duvarına bağlanması ve kalıtsal materyalini enjekte edebilmesi için belirli bir süre beklediler. Sonra bakteriyi bir karıştırıcıda hızlı bir şekilde çalkaladılar ve bakteri duvarında kalan fajları uzaklaştırmak ve enfekte olmuş bakteriyi faj kılıfların dan ayırmak için karışımı santrifüj ettiler. Analiz sonuçları santrifüj edildikten sonra tüpün dibine çöken bakterilerin üzerinde kalan sıvı kısmın (süpernatan) önemli miktarda 35S; fakat önemsiz ölçüde çok az miktarda 32P içermekte olduğunu gösterdi. Bu sonuç bakteri hücresinin dışı nda sadece boş protein kılıfının kaldığını göstermektedir. Bakteri fraksiyonları analiz edildiğinde daha çok 32P ve daha az 35S içerdiğinin saptanması faj tarafından sadece DNA nın bakteriye enjekte edildiğini göstermektedir.
Bakteri içinde yeni fajlar sentezlendiğine göre, DNA tek başına faj üretimi için gerekli bilgiyi bakteriye aktarmaya yetmektedir. Bu deney 1952 de rapor edildi ve proteinlerin değil nükleik asitlerin genetik materyali oluşturduğuna dair daha önce yapılan transformasyon deneyleri ile elde edilen sonuçları kuvvetle destekledi.

Ayrıca, 1937'de William Astbury, DNA'nın düzenli bir yapıya sahip olduğunu kanıtlayan ilk X-ışını kırınımı modellerini üretti.

Bakterilere farklı DNA’lar aktarılınca bakterinin fonksiyonunun değiştiği 1944’te ABD’de bulundu.

1944’te bilim insanları sıcaklık ile öldürülen bakterilerden zarar görmeden geriye kalıp canlı bakteriyi değişime uğratan şeyin DNA olabileceği düşüncesi üzerine yoğunlaştı.

Genetik materyal konusunda her ne kadar DNA için karar kılınsa da, DNA’nın şifreyi nasıl barındırdığı halen bilinmiyordu. 1950’de Chargaff, DNA’daki “Adenin, Timin, Guanin ve Sitozin” bazlarının DNA’daki sıklığının türler arasında farklılık gösterdiğini ortaya çıkardı.

1950’lerde Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins isimli iki bilim insanı DNA üzerine X-ışınları yollayarak röntgenini çekti. Röntgen sonucunda ise DNA’nın bugün dahi kabul gören sarmal yapıda olduğunu ortaya çıkardı.

DNA’nın yapısını tam olarak çözmek isteyen, İngiliz Rosalind Franklin ve M. Wilkins, DNA’nın x-ışınları ile elde edilmiş kristal yapı fotoğrafını 1951’de elde etti.

Alfred Hershey ve Martha Chase, T2 fajının genetik materyali olduğunu gösterdiğinde DNA'nın kalıtsallıktaki rolünü 1952'de doğrulandı .

WATSON – CRİCK 1953 yılında Watson ve Crick DNA molekülünün kendine has özelliklere sahip bir çift sarmal yapı halinde bulunduğunu ileri sürdüler. Bu araştırıcıların önerdikleri DNA yapısı o tarihlerde başka araştırıcılar tarafından ortaya konulan DNA ya ilişkin önemli bulgulara dayanmaktadır. Bunlardan biri, Wilkins ve Franklin tarafından, izole edilmiş DNA fibrillerinin X-ray ışınlarını kırma özelliklerinin açıklanmasıdır. Elde edilen X ışını fotoğrafları, DNA nın zincirlerindeki bazların diziliş sırasına bağlı olmaksızın, çok düzenli biçimde dönümler yapan bir molekül olduğunu göstermektedir.

1958'deki Meselson-Stahl deneyi, çift helezonik yapının replikasyon mekanizmasını doğruladı.
Ayrıca TMV (tütün Mozaik Virüsü) üzerinde yapılan çalışmalar da DNA ile ilgili çalışmalarda ışık tutmuştur.
İşte Watson ve Crick bu bulguları değerlendirerek böyle özelliklere sahip DNA makro molekülünün sekonder yapısına ait bir model geliştirdiler. Bu modele göre, bir çok sorunun açıklanması yapılabildiğinden dolayı 1962 yılında bu iki bilim adamına NOBEL ÖDÜLÜ verildi.

DNA’ya ait bilinmeyen özelliklerin ortaya çıkarılışı tümüyle Watson ile Crick’e mal edilmişti. Aslında yaptıkları buluş,rakipleri tarafından yapılan çalışmalar sayesinde olmuştur.

1962 yılı Nobel Tıp Ödülü Watson, Crick ve Wilkins arasında paylaştırıldı.

Bir başka önemli bulguda Chargaff tarafından saptanmıştır Herhangi bir türe ait DNA nın nükleotidlerine parçalandığında serbest kalan nukleotidlerde adenin miktarının timine, guanin miktarının da sitozine daima eşit olduğunun saptanmasıdır Yani Chargaff kuralı‘na göre doğal DNA moleküllerinde adeninin timine veya guaninin sitozine oranı daima 1’e eşittir (A/T=1 ve G/C=1).

Kaynaklar

• https://www.youtube.com/watch?v=771tWi7JiA4
• http://www.biyologlar.comkesfedilen-dna-ve-ozellikleri
• Bilgiustam: "DNA’nın Keşfi" https://www.bilgiustam.com/dnanin-kesfi/ Yazar: Taner Tunç
• https://dnazinciri.wordpress.com/2015/05/07/dnanin-kesfi/
• http://www.bilimvetekno.com/dnanin-kesfi-ve-dunya-dna-gunu/amp/

---