Genetik Materyalin DNA Olduğunu Gösteren Deneyler – Nur Solmaz

Bir molekülün genetik materyal olabilmesi için göstermesi gereken özellikler vardır. Bunlar:

-Kendini Eşleme

Yani “replikasyon”. Bir hücre bölüneceği zaman genetik materyalini yavru hücrelere de aktarır. Bunun için genetik materyal kendini kopyalayabilmelidir.

-Bilgi Depolama

Hücre ifade etse de etmese de genetik materyal bu bilgileri depolar. Örneğin vücudumuzdaki hücreler aynı genetik materyali barındırmasına rağmen birbirinden farklıdırlar. İşte bunun sebebi de hücrelerin farklı genleri ifade etmesinden kaynaklanır. Deri hücrelerinde melanin geni aktifken hemoglobin genlerinin ifade edilmemesi gibi.

-Genetik Bilginin İfadesi

Genetik bilginin ifade edilmesindeki ilk aşama DNA’nın transkripsiyonudur. Bu işlemle üç tip RNA molekülü oluşturulur (mRNA, tRNA, rRNA). Translasyon işlemiyle de polipeptit sentezi gerçekleşir. Yani DNA’dan RNA, RNA’dan da protein sentezlenir.

Mendel’in kalıtım fikrini ortaya atmasıyla genetik materyalin ebeveynden aktarıldığı fikri kabul görmüştür. Sırada genetik materyalin tanımlanması vardır. Proteinler bol ve çeşitli olduğundan bilim insanları genetik materyalin protein olduğunu düşünmüşlerdi.

DNA üzerinde ilk çalışan isim İsviçreli kimyacı Friedrick Miescher’dir. DNA’yı kimin keşfettiğiyle ilgili bir soru sorulduğunda akla ilk gelen isimler Francis Crick ve James Watson olur. Ancak bu bilim insanları DNA’yı keşfetmemişlerdir. DNA’nın yapısı hakkında bir model önermişlerdir.

Miescher hücrelerden çekirdekleri ayrıştırmış ve çekirdekten “nüklein” adını verdiği asidik maddeyi (günümüzde nükleik asit, çekirdekten saflaştırdığı için nüklein adını vermiştir) saflaştırmıştır.

DNA’nın genetik materyal olduğunu kanıtlayan ilk deney 1944’te Oswald Avery, Colin MacLeod ve Maclyn McCarty tarafından gerçekleştirilmiştir. Ancak, onların bu deneye başlamasına sebep olan deneyler vardır.

Avery, MacLeod ve McCarty’nin çalışmasının temelini oluşturan araştırma, 1927’de Frederick Griffith
tarafından yapılmıştır. Griffith deneylerini, Streptococcus pneumoniae bakterisinin birkaç farklı suşu ile yapmıştır. Bu suşların bazıları virulant (hastalık yapan – S tipi) olup özellikle insanlarda ve farelerde zatürre enfeksiyonuna neden olurken, bazıları da avirulanttır (R tipi) yani hastalık yapmaz.

-Griffith’in Deneyi

1. Frederick Griffith; fareye, canlı virulant (hastalık yapan) bakterileri enjekte etti ve fare öldü.
2. Fareye, avirulant (hastalık yapmayan) bakterileri enjekte etti ve fare yaşamaya devam etti.
3. Fareye, ısıyla öldürülmüş virulant bakterileri enjekte etti ve fare yaşamaya devam etti.
   
   2. ve 3. maddede yapılan işlemler fareyi öldürmedi. Fakat deneyin devamı çok şaşırtıcı bir sonuç veriyor.
   
   
4. Frederick Griffith; fareye, canlı avirulant ve ısıyla öldürülmüş virulant hücreleri enjekte etti. Beş gün sonra enjeksiyon yapılan fareler öldü.

Ölü farelerin kan analizleri, fazla miktarda canlı virülant bakterilerin bulunduğunu göstermiştir. Canlı, avirülant bakterilerin zerk edildiği kontrol fareler sağlıklıydı, yani mutasyona uğramış olamazlardı. Öyleyse canlı avirulant ve ısı ile öldürülmüş virulant hücreler arasında bir tip etkileşim vardı. Griffith bu olaya transformasyon adını verdi.

1931’de, Dawson ve arkadaşları, tranformasyonun in vitro gerçekleşebileceğini gösterdiler. Yani transformasyon için fareye enjeksiyon gerekmiyordu. Araştırmacılar, transformasyonu genetik bir olay gibi değil, bir çeşit fizyolojik değişim olarak görüyorlardı. Ancak, transformasyondan kimyasal bir maddenin sorumlu olduğu kabul edilebilir bir deneysel bulguydu.

-Avery – Macleod – McCarty Deneyi

Sırada, transformasyonda hangi molekülün görev aldığını bulmak vardı. Oswald Avery 1933’te Frederick Griffith’in transformasyon deneyini duyduğunda Griffith’in deneyinde bir hata yapmış olduğunu düşündü. 1944’te, Avery, MacLeod ve McCarty, uzun yıllar süren bir çalışma sonucunda, transformasyondan sorumlu molekülün DNA olduğunu bildirdiler. Deney şu şekilde kuruldu:

1. Sıvı kültürdeki virulant hücreler (IIIS hücreleri) santrifüjleme işleminden sonra ısı ile etkisizleştirildi ve filtratı elde dildi. Bu filtrattan karbonhidratlar ve lipitler uzaklaştırıldı.
2. Kontrol deneyinde virulant hücre filtratına avirulant (IIR hücreleri) hücreler eklendi ve transformasyon gerçekleşti.
3. İlk aşamada IIIS filtratına proteaz (Proteinlerin parçalanmasından sorumlu enzim grubu) eklendi. IIR hücreleri de eklendikten sonra transformasyon gerçekleşti. Yani transformasyondan sorumlu molekül protein değildi.
4. III filtratına RNaz (RNA’yı parçalayan enzim) eklendi. IIR hücreleri de eklendikten sonra transformasyon yine gerçekleşti. Yani transformasyondan sorumlu molekül RNA da değildi.
5. Bu sefer IIIS filtratına DNaz (DNA’yı parçalayan enzim) eklendi. IIR hücreleri de eklendi fakat sıvı kültürde yalnızca IIR (avirulant) hücrelere rastlandı.

Araştırmacılar, transformasyonda görevli molekülün IIR hücreleri ile etkileşime girerek, tip IIIS kapsül polisakkaritinin sentezine yol açtığını öneriyorlardı. Ayrıca transformasyon bir kere gerçekleştiğinde, kapsül polisakkariti sonraki kuşaklarda da üretiliyordu. Yani, transformasyon kalıtsaldı ve genetik materyali etkiliyordu.

Hershey – Chase Deneyi

DNA’nın genetik materyal olduğunu kanıtlayan diğer deney E. coli bakterisi ve onun konakçısı T2 bakteriyofajı ile yapılmıştır. Faj, bakteri hücresine tutunur (adsorblanır) ve fajın bazı bileşenleri (tabii o dönem hangi bileşen olduğu bilinmiyor) bakteri hücresinin içine girer. Daha sonra viral bilgi hücrenin işleyişini yürütür ve faj kendini çoğaltır. Kısa bir süre sonra çok sayıda yeni faj oluşur ve bakteri hücresini parçalayarak ortama salınırlar.

Alfred Hershey ve Martha Chase mevcut verilere göre; T2 fajlarının %50 protein, %50 DNA içerdiğini ve yeni virüslerin bakteri hücresinin içinde çoğaldığını bilmektedirler.

Deney şu şekilde ilerlemiştir:

1. Radyoaktif kükürt (S) ve radyoaktif fosfor (P) içeren iki ayrı tüpte virüsler işaretlenir. (DNA, kükürt değil fosfor içerdiği için P ile yalnızca DNA işaretlenir. Proteinler ise fosfor değil kükürt içerdikleri için S ile proteinler işaretlenir.)

2. İşaretli fajlar bakteri kültürüne eklenir ve enfeksiyon gerçekleşir.

3. Hershey ve Chase, radyoizotopları izleyerek adsorbsiyondan sonra, 32P işaretli DNA’nın çoğunun bakteri hücresine girdiğini göstermiştir. Buna karşın, 35S işaretli proteinin çoğu bakteri hücresinin dışında kalmıştır ve karıştırma işleminden sonra boş faj kılıflarının içinde tekrar elde edilebilmiştir. Bu ayırma işleminden sonra viral DNA’yı içeren bakteri hücreleri parçalanıp, yeni fajların ortaya çıkması sağlanmıştır. Yeni oluşan fajlarda 32P bulunmuş, 35S ise bulunamamıştır.

Hershey ve Chase’in deney sonuçlarını yorumlayışlarına göre; fajın protein kılıfı konakçı hücrenin dışında kalır ve yeni fajların oluşumunu yönlendiremez. Diğer yandan, olayın en önemli yanı, faj DNA’sı konakçı hücreye girer ve fajın üremesini yönlendirir. Hershey ve Chase bu şekilde, T2 fajında genetik materyalin protein değil, DNA olduğunu göstermiştir.

BONUS

Bu deneylerin yanı sıra DNA’nın dağılımı da dolaylı bir kanıttır. DNA sadece genetik işlev gösteren yerlerde bulunurken proteine hücrenin her yerinde rastlanır. Örneğin genetik işlevi olduğu bilinen kloroplast ve mitokondride de DNA bulunur.

Ayrıca eşey hücrelerinde ve somatik hücrelerde bulunan DNA ve protein miktarı karşılaştırıldığında DNA sayısında anlamlı bir farklılık görülür. Eşey hücrelerindeki kromozom sayısı, somatik hücredeki kromozom sayısının yarısı kadardır. Buna benzer anlamlı bir farklılık protein miktarında görülmez.

Yazar: Nur Solmaz

Kaynakça

Klasik Deneyler: Genetik Materyal Olarak DNA, https://tr.khanacademy.org/science/biology/dna-as-the-genetic-material/dna-discovery-and-structure/a/classic-experiments-dna-as-the-genetic-material 20.08.2024

Sümer S., Açık L., Tuncer M., Klug W., Cummings M., Spencer C., Palladin M. (2018) Concepts of Genetics. Genetik Kavramlar, 11. Baskı, Sümer S. vd., Palme Yayınevi, Ankara.

Mukherjee S. (2018) The Gene: An lntimate History. Gen: Hayli Kişisel Bir Hikaye, 3. Baskı, Duran C., Domingo Yayınevi, İstanbul.