Ara

DNA Kalıtımının Tarihsel Gelişimi



Biyoloji ve diğer tüm pozitif bilimler araştırma kapsamında gelişir. İnsanları anlamak için hücreleri anlamak, hücreleri anlamak için DNA gereklidir. Bu, daha moleküler bir perspektiften bakmak için büyük önem taşır. Günümüzde gelişen moleküler teknikler, genlere ve dolayısıyla organizmalara yapılan düzenlemelerle yapay üremeye kadar gelişen bir süreci tetikliyor. Bu yazıda, biyoloji alanında yapılan akıl almaz çalışmaların geçmişteki küçük yansımalarını ele alacağız. Yapılan deneyler, ilerleyen yıllarda birbirini etkilemiş ve bilim insanları bunu farklı yöntemlerle açıklamaya çalışmışlardır.


Giriş

Günümüzde, DNA'nın kalıtımına dair modern anlayışımız birçok uygulamaya yol açmıştır. Bunlar adli tıp, biyoteknoloji, aşı sektörü, genetik tarama gibi çeşitli uygulamalardır. Bu pratik uygulamalar sayesinde günümüzde birçok insan belli bir DNA bilgisine sahiptir. DNA'nın keşfi, geçmişten günümüze dev bilimsel gelişmelere rehberlik etmiş ve bilim camiasında büyük yankı uyandırmıştır.


Deoksiribonükleik asit, kısaca DNA, tüm organizmaların ve bazı virüslerin yaşamsal işlevlerini, biyolojik ilerlemesini ve genetik bilgilerini kodlayan ve şifrelenen bilgileri bir sonraki nesle aktaran bir nükleik asittir. Bilim insanları, bu mekanizmanın nasıl çalıştığını, DNA'da meydana gelen reaksiyonların bir sonraki nesillere nasıl aktarıldığını düşünmüş ve kalıtsal bir molekül olduğunu gösteren kanıtlar üzerinde araştırmalara başlamışlardır.


Friedrich Miescher Deneyi

DNA'nın biyokimyasal olarak araştırılması 1869'da İsviçreli Biyokimyager Friedrich Miescher tarafından gerçekleştirildi. Hücre çekirdeği üzerinde yapılan sistematik çalışmalarda, lenfositlerden alınan hücrelerle DNA'nın varlığını keşfetti. Hastanedeki bandajlardan elde ettiği hücreleri zarar vermeden filtrelemek isteyen Miescher, farklı tuz çözeltileri tasarlayarak hücreleri sodyum sülfatla filtrelemeyi başardı. O zamanlarda santrifüj işlemi için cihaz olmadığından, hücreleri bir beherin dibine yerleştirdi. Lenfositlerin çekirdekleri çok büyük olduğu için, çekirdekleri sitoplazmadan kolayca izole edebildi. Arıtılmış çekirdekleri alkali bir ekstraksiyona, daha sonra asitleştirmeye maruz bıraktı. Oluşan çökeltiyi inceledikten sonra ona “nüklein” adını verdi ve çökeltinin fosfor, nitrojen içerdiğini ancak kükürt içermediğini keşfetti. Daha sonraki deneylerinde, balık spermi ve yumurtalarının çekirdeğinde nükleik asitlerin varlığını gözlemledi.


Miescher, başlangıçta nükleik asitlerin yalnızca hücre çekirdeğinde bulunduğunu kabul etti, ama sonraki yıllarda yapılan bilimsel çalışmalarda nükleik asitlerin ökaryot hücrelerin kloroplast, ribozom ve mitokondri gibi organellerinde de bulunduğu tespit edildi. Prokaryot hücrelerde ise nükleik asitlerin hücre sitoplazmasında ve ribozomlarında olduğu bulundu. Daha sonra DNA adı verilen bu materyal, modern biyolojinin temelini oluşturdu. DNA'nın birincil yapısının tam olarak anlaşılması 1940'ların sonlarına kadar sürdü.


Phoebus Levene ve William Astbury

Phoebus Levene, 1909 yılında ribozu, 1929 yılında deoksiribozu keşfeden ilk bilim insanı oldu. Levene aynı zamanda DNA’nın, birbirine fosfat grupları ile bağlı nükleotit birimlerinden oluşan bir zincir olduğunu öne sürdü. Ancak bu zincirin kısa olduğunu ve bazların kendisini tekrar eden bir sıralamaya sahip olduğunu sandı. 1937’de William Astbury ise DNA’nın düzenli bir yapıya sahip olduğunu gösteren ilk görüntüleri elde etti.


Avery, MacLeod, McCarty (Griffith Deneyi)

Friedrich Miescher, nüklein veya nükleik asidin hücre kalıtımına dahil olabileceğini bulmasına rağmen, DNA'nın genetik bilgi taşıdığına dair ilk kanıt 1944'te Colin MacLeod, Oswald Avery ve Maclyn McCarty tarafından yapıldı. Griffith deneyinde Streptococcus pneumonia (pneumococcus) bakterisi ve aynı bakterinin avirulent suşu kullanıldı.


Virülan bakterilerin bir kapsülü vardır ve koloni yüzeyleri pürüzsüz olduğu için S-tipi bakterilerdir. Hastalığa neden olamayan suş, kapsül polisakkaritlerinden yoksundur ve koloni yüzeyi pürüzlü olduğu için R-tipi bakteri olarak sınıflandırılır.


Griffith deneyinde, fareye enjekte edildiğinde S tipi bakterilerin (virülan) farenin ölümüne neden olduğu gözlendi. R-tipi bakteri avirulent olduğu ve kapsülü olmadığı için farenin bağışıklık sistemi tarafından yok edildiği ve farenin canlılığının devam ettiği görüldü. Isı ile öldürülmüş S-tipi bakteriler fareye enjekte edildiğinde farenin hayatta kalmaya devam ettiği gözlendi. Canlı R suşları ve ısı ile öldürülmüş S bakterileri birlikte enjekte edildiğinde ise farelerin öldüğü gözlendi. Burada avirülan tip R suşlarının virülan özellikler kazandığı görüldü. Bunu sağlayan ve kalıtsal bilgilerin aktarılmasından sorumlu olan bileşenler “dönüştürme ilkesi” olarak adlandırıldı.


Griffith'in deneyinden sonra Avery, MacLeod ve McCarty, ölü S bakterilerinden DNA'yı çıkardı ve enjeksiyondan önce canlı R bakterisine ekledi. Deney sonucunda S bakterisindeki genetik materyalin R bakterisine geçerek kromozoma yerleştiği ve bu dönüşüm nedeniyle R bakterisinin bir kapsül oluşturduğu anlaşıldı. Araştırma sonucunda Griffith'in dönüşüm prensibi olarak tanımladığı bileşenin DNA olduğu sonucuna varıldı.


Hershey-Chase Deneyi

DNA'yı genetik materyal olarak destekleyen bir diğer önemli deney, 1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase tarafından yürütülen Escherichia coli bakteri ve T2 bakteriyofaj enfeksiyonu çalışmasıdır. Faj adı verilen virüs, DNA'sını çevreleyen bir protein kılıfına sahiptir. Fajın dış yapısı altıgen bir baş ve kuyruktan oluşur. Fajlar, bakteri hücresi yüzeyine bağlanır ve bazı bileşenlerini bakterilere aktarır. Enfeksiyondan sonra bakteri içindeki bileşenler faj üretimi için komutlar vererek bakterileri ele geçirir. Yeni fajların ortaya çıkmasıyla bakteri hücresi parçalanır ve çevreye yeni virüsler salınır. Bütün bu süreç litik bir döngüdür. Hershey ve Chase, deneylerinde viral üremeden DNA'nın mı yoksa proteinin mi sorumlu olduğunu merak ettiler. Bu nedenle, T2 faj partiküllerinin DNA bileşenini 32P ile, protein kaplama bileşenini ise 35S radyoaktif izotoplarla ayrı ayrı etiketlediler. Her iki şekilde hazırlanan faj preparatları, bakteriyel süspansiyonları ayırmak için ilave edildi. Viral kaplamalar, faj bulaşmış bakteri hücrelerinin süspansiyonlarının karıştırılmasıyla bakterilerden ayrıldı. Daha sonra bakteri ve boş viral kılıflar, santrifüj ile çökeltildi. Hershey ve Chase adsorpsiyonundan sonra 32P izotopu ile etiketlenen DNA'nın bakterilere girdiği, ancak 35S'nin bakterilerin dışındaki boş faj kılıflarında kaldığı gözlemlendi. Deney sonuçları iki şekilde yorumlandı:


1- Protein tabakası bakteri hücresinin dışında kalamaz ve yeni fajların oluşumunu yönetemez.


2- Faj DNA, hücreye girer ve faj üretimi için talimatlar verir.


Böylece T2 fajındaki genetik materyalin protein değil DNA olduğu kanıtlandı. Hershey-Chase ve Griffith deneyleriyle genetik materyalin DNA olduğu ve kalıtımın ana bileşeni olan DNA'nın hücre yönetimini yönettiği kanıtlandı.


Rosalind Franklin

1950’li yıllarda, DNA zincirlerini X-ışınlarına maruz bırakarak molekülün saçtığı ışınları fotoğrafladı. Francis Crick ve James Watson’ın DNA yapısını keşfetmelerinden önce yaptığı X-ışını kırınımı çalışmalarıyla ve öne sürdüğü hipotezlerle tanındı. Fotoğraflama sonucunda DNA’nın belirli aralıklarla tekrarlayan sarmal bir yapıya sahip olduğunu gösterdi. DNA yapısının keşfine yaptığı katkılar büyük oranda ölümünden sonra fark edildi.


James Dewey Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins

Nükleik asitlerin moleküler yapısının ortaya çıkarılması ve bu yapının kalıtsal bilgilerin aktarılmasındaki rolüyle ilgili yaptıkları dikkat çekici çalışmalar, 1962 yılında Nobel Fizyoloji ve Tıp Ödülü’nü almalarını sağladı. Aynı zamanda 1953’te James D. Watson ve Francis Crick tarafından yazılmış, DNA’nın bugün kabul görmüş yapısını anlatan ilk makale Nature dergisinde yayımlandı. Bu makalede X-ışını kırınımı ve çift sarmallı moleküler modeline dayanıyordu. Watson ve Crick modelini destekleyen deneysel kanıtlar, Nature dergisinin aynı sayısında yayımlanan beş makalede yer aldı.


Sonuç

Friedrich Miescher ile başlayan bu macera, bugüne kadar pek çok gelişme göstererek ilerledi ve ilerlemeye devam ediyor. Bilim dünyasındaki uygulama alanlarımızı genişleterek DNA'nın keşfini birçok alana yaydık. İnsan Genom Projesi ve CRISPR bunlardan sadece birkaçı. Artık genlere müdahale edilmekte ve gen bilgileri birçok genetik hastalığın teşhis ve tedavisinde kolaylıkla kullanılmaktadır.


Kaynaklar ve İleri Okuma

1- https://academic.oup.com/mbe/article/23/4/756/1008053?login=true

2- https://www.khanacademy.org/science/biology/dna-as-the-genetic-material/dna-discovery-and-structure/a/classic-experiments-dna-as-the-genetic-material

3- https://en.wikipedia.org/wiki/Friedrich_Miescher

4- https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-function-watson-397/

5- https://tr.wikipedia.org/wiki/James_Dewey_Watson

6- https://tr.wikipedia.org/wiki/Phoebus_Levene

7- https://tr.wikipedia.org/wiki/William_Astbury

8- https://tr.wikipedia.org/wiki/Rosalind_Franklin#:~:text=Rosalind%20Elsie%20Franklin%20(d.%2025,%C4%B0ngiliz%20biyofizik%C3%A7i%2C%20kimyager%20ve%20kristallograf%C3%A7%C4%B1s%C4%B1d%C4%B1r