Hershey - Chase -eksperiment - Hershey–Chase experiment
De Hershey-Chase eksperimenter var en serie eksperimenter utført i 1952 av Alfred Hershey og Martha Chase som bidro til å bekrefte at DNA er arvematerialet .
Selv om DNA hadde vært kjent for biologer siden 1869, antok mange forskere på det tidspunktet at proteiner bar informasjonen for arv fordi DNA så ut til å være et inert molekyl, og siden det ligger i kjernen, ble dets rolle ansett som fosfor Oppbevaring. I sine eksperimenter viste Hershey og Chase at når bakteriofager , som er sammensatt av DNA og protein, infiserer bakterier, kommer deres DNA inn i vertsbakteriecellen, men det meste av proteinet deres gjør det ikke. Hershey og Chase og påfølgende funn har alle vist seg å bevise at DNA er arvelig materiale.
Hershey delte Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1969 med Max Delbrück og Salvador Luria for deres "funn om den genetiske strukturen til virus".
Historisk bakgrunn
På begynnelsen av det tjuende århundre trodde biologer at proteiner bar genetisk informasjon. Dette var basert på troen på at proteiner var mer komplekse enn DNA. Phoebus Levens innflytelsesrike "tetranukleotidhypotese", som feilaktig antydet at DNA var et gjentakende sett med identiske nukleotider , støttet denne konklusjonen. Resultatene av Avery - MacLeod - McCarty -eksperimentet , publisert i 1944, antydet at DNA var det genetiske materialet, men det var fortsatt en viss nøling i det generelle vitenskapelige samfunnet for å godta dette, noe som satte scenen for Hershey - Chase -eksperimentet.
Hershey og Chase, sammen med andre som hadde gjort relaterte eksperimenter, bekreftet at DNA var biomolekylet som bar genetisk informasjon. Før det hadde Oswald Avery , Colin MacLeod og Maclyn McCarty vist at DNA førte til transformasjon av en stamme av Streptococcus pneumoniae til en annen. Resultatene av disse eksperimentene ga bevis for at DNA var biomolekylet som bar genetisk informasjon.
Metoder og resultater
Hershey og Chase trengte å kunne undersøke forskjellige deler av fagene de studerte separat, så de trengte å skille fagunderseksjonene. Virus var kjent for å være sammensatt av et proteinskall og DNA, så de valgte å merke hver enkelt en annen elementær isotop . Dette tillot hver å bli observert og analysert separat. Siden fosfor finnes i DNA, men ikke aminosyrer, ble radioaktivt fosfor-32 brukt til å merke DNA-et i T2-fagen . Radioaktivt svovel-35 ble brukt til å merke proteinseksjonene i T2-fagen, fordi svovel er inneholdt i protein, men ikke i DNA.
Hershey og Chase satte inn de radioaktive elementene i bakteriofager ved å legge isotoper til separate medier der bakterier fikk vokse i 4 timer før bakteriofag introduksjon. Når bakteriofager infiserte bakteriene, inneholdt avkommet de radioaktive isotopene i strukturene. Denne prosedyren ble utført en gang for de svovelmerkede fagene og en gang for fosfor-merkede fager. De merkede avkomene fikk deretter infisere umerkede bakterier. Fagstrøkene forble på utsiden av bakteriene, mens genetisk materiale kom inn. Forstyrrelse av fag fra bakteriene ved omrøring i en blender etterfulgt av sentrifugering tillater separering av fagstrøkene fra bakteriene. Disse bakteriene ble lysert for å frigjøre fagavkom. Avkommet til fagene som var merket med radioaktivt fosfor forble merket, mens avkommet til fagene merket med radioaktivt svovel var umerket. Dermed bidro Hershey - Chase -eksperimentet til å bekrefte at DNA, ikke protein, er det genetiske materialet.
Hershey og Chase viste at innføringen av deoksyribonuklease (referert til som DNase ), et enzym som bryter ned DNA, inn i en løsning inneholdende de merkede bakteriofager ikke innføre noen 32 P inn i løsningen. Dette demonstrerte at fagen er resistent mot enzymet mens den er intakt. I tillegg var de i stand til å plasmolysere bakteriofager slik at de gikk inn i osmotisk sjokk, noe som effektivt skapte en løsning som inneholdt det meste av 32 P og en tyngre løsning som inneholdt strukturer kalt "spøkelser" som inneholdt 35 S og proteinlaget av viruset . Det ble funnet at disse "spøkelsene" kunne adsorbere til bakterier som var mottakelige for T2, selv om de ikke inneholdt DNA og bare var restene av den opprinnelige bakteriekapsel. De konkluderte med at proteinet beskyttet DNA mot DNAse, men at når de to var separert og fagen ble inaktivert, kunne DNAse hydrolysere fag -DNA.
Eksperimenter og konklusjoner
Hershey og Chase var også i stand til å bevise at DNA fra fagen settes inn i bakteriene kort tid etter at viruset fester seg til verten. Ved hjelp av en blender med høy hastighet klarte de å tvinge bakteriofager fra bakteriecellene etter adsorpsjon . Mangelen på 32 P-merket DNA som er igjen i løsningen etter at bakteriofager hadde fått adsorbere til bakteriene viste at fag-DNA ble overført til bakteriecellen. Tilstedeværelsen av nesten alle de radioaktive 35 S i oppløsningen viste at proteinlaget som beskytter DNA før adsorpsjon oppholdt seg utenfor cellen.
Hershey og Chase konkluderte med at DNA, ikke protein, var det genetiske materialet. De bestemte at et beskyttende proteinbelegg ble dannet rundt bakteriofagen, men at det indre DNA er det som ga dets evne til å produsere avkom i en bakterie. De viste at i vekst har protein ingen funksjon, mens DNA har en viss funksjon. De bestemte dette ut fra mengden radioaktivt materiale som var igjen utenfor cellen. Bare 20% av 32 P forble utenfor cellen, og demonstrerte at den var inkorporert med DNA i cellens genetiske materiale. Alle de 35 S i proteinstrøkene forble utenfor cellen, og viste at den ikke var inkorporert i cellen, og at proteinet ikke er det genetiske materialet.
Hershey og Chases eksperiment konkluderte med at lite svovelholdig materiale kom inn i bakteriecellen. Imidlertid kan det ikke konkluderes med om materiale som er svovelfritt kommer inn i bakteriecellen etter fagadsorpsjon. Ytterligere forskning var nødvendig for å konkludere med at det utelukkende var bakteriofagers DNA som kom inn i cellen og ikke en kombinasjon av protein og DNA der proteinet ikke inneholdt noe svovel.
Diskusjon
Bekreftelse
Hershey og Chase konkluderte med at protein sannsynligvis ikke var det arvelige genetiske materialet. De gjorde imidlertid ingen konklusjoner angående DNAs spesifikke funksjon som arvelig materiale, og sa bare at det må ha en udefinert rolle.
Bekreftelse og klarhet kom et år senere i 1953, da James D. Watson og Francis Crick korrekt antok i sin tidsskriftartikkel " Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid ", den dobbelte helixstrukturen til DNA, og foreslo kopieringsmekanisme der DNA fungerer som arvelig materiale. Videre antydet Watson og Crick at DNA, det genetiske materialet, er ansvarlig for syntesen av tusenvis av proteiner som finnes i celler. De hadde kommet med dette forslaget basert på den strukturelle likheten som eksisterer mellom de to makromolekylene: både protein og DNA er lineære sekvenser av monomerer (henholdsvis aminosyrer og nukleotider).
Andre eksperimenter
Når Hershey - Chase -eksperimentet ble publisert, erkjente vitenskapelige samfunn generelt at DNA var det genetiske kodematerialet. Denne oppdagelsen førte til en mer detaljert undersøkelse av DNA for å bestemme sammensetningen så vel som dens 3D -struktur. Ved hjelp av røntgenkrystallografi ble strukturen av DNA oppdaget av James Watson og Francis Crick ved hjelp av tidligere dokumenterte eksperimentelle bevis av Maurice Wilkins og Rosalind Franklin . Kunnskap om DNA -strukturen førte til at forskere undersøkte arten av genetisk koding og på sin side forstår prosessen med proteinsyntese. George Gamow foreslo at den genetiske koden var sammensatt av sekvenser av tre DNA -basepar kjent som trillinger eller kodoner som representerer en av de tjue aminosyrene. Genetisk koding hjalp forskere med å forstå mekanismen for genuttrykk , prosessen der informasjon fra et gen brukes i proteinsyntese . Siden den gang har mye forskning blitt utført for å modulere trinn i genuttrykksprosessen. Disse trinnene inkluderer transkripsjon , RNA-spleising , oversettelse og post-translasjonell modifikasjon som brukes til å kontrollere den kjemiske og strukturelle naturen til proteiner. Videre gir genteknologi ingeniører muligheten til å direkte manipulere de genetiske materialene til organismer ved hjelp av rekombinante DNA -teknikker. Det første rekombinante DNA -molekylet ble opprettet av Paul Berg i 1972 da han kombinerte DNA fra apeviruset SV40 med lambda -fagen .
Eksperimenter med arvelig materiale i løpet av Hershey - Chase -eksperimentet brukte ofte bakteriofager som modellorganisme . Bakteriofager egner seg til eksperimenter med arvelig materiale fordi de inneholder sitt genetiske materiale i vertscellens genetiske materiale (gjør dem til nyttige verktøy), de formerer seg raskt, og de blir lett samlet inn av forskere.
Legacy
Hershey - Chase -eksperimentet, forgjengerne, for eksempel Avery - MacLeod - McCarty -eksperimentet , og etterfølgere tjente utvetydig at arvelig informasjon ble båret av DNA. Dette funnet har mange bruksområder innen rettsmedisin , kriminaletterforskning og slektsforskning . Det ga bakgrunnskunnskap for ytterligere applikasjoner innen DNA -rettsmedisin, der DNA -fingeravtrykk bruker data som stammer fra DNA, ikke proteinkilder, for å utlede genetisk variasjon .