Nükleik Asitlerin Keşif Süreci

Canlıların sahip olduğu özelliklerin dölden döle nasıl aktarıldığı, bilim dünyasını yüzyıllar boyunca meşgul eden en temel sorulardan biri olmuştur. Mendel'in bezelyeler üzerinde yaptığı çalışmalarla kalıtımın temel kuralları ortaya konmuş olsa da, bu özellikleri taşıyan kalıtım materyalinin kimyasal yapısının ne olduğu uzun süre bir sır olarak kaldı. Bu sırrın çözülmesi; biyoloji, kimya ve fizik alanlarında çalışan pek çok bilim insanının aşama aşama yaptığı katkılarla mümkün olmuştur. Nükleik asitlerin keşfi ve genetik materyal olduklarının ispatlanması, bilim tarihinin en heyecan verici serüvenlerinden biridir.

Nükleik Asitlerin İlk Keşfi: Friedrich Miescher (1869)

Nükleik asitlerin hikayesi, İsviçreli doktor Friedrich Miescher'in (Fridrih Mişer) çalışmalarıyla başlar. Miescher, hücrenin çekirdeğinin kimyasal yapısını merak ediyordu. 1869 yılında, hastaneden topladığı iltihaplı sargı bezlerindeki akyuvar hücrelerini inceledi. Bu hücrelerin çekirdeklerinden, o güne kadar bilinen proteinlerden, karbonhidratlardan ve lipitlerden farklı, fosfor bakımından çok zengin bir madde izole etti. Bu yeni maddeyi hücrenin çekirdeğinde bulduğu için ona "çekirdek özü" anlamına gelen nüklein adını verdi. Daha sonraları bu maddenin asidik özellik gösterdiği tespit edilince ismi nükleik asit olarak değiştirildi. Miescher kalıtım materyalini bulmuştu, ancak bunun kalıtımdaki rolünü henüz bilmiyordu.

Genetik Materyalin DNA Olduğuna Dair İlk İpuçları: Griffith'in Transformasyon Deneyi (1928)

Kalıtım materyalinin protein mi yoksa DNA mı olduğu tartışmaları yıllarca sürdü. 1928'de İngiliz bakteriyolog Frederick Griffith (Frederik Griffit), zatürre hastalığına karşı aşı geliştirmeye çalışırken kalıtımın doğasına dair çığır açan bir deney yaptı. Griffith, zatürreye neden olan Streptococcus pneumoniae bakterisinin iki farklı suşunu kullandı: 1. Kapsüllü (S) suş: Dışında polisakkarit bir kapsül bulunur. Hastalık yapıcıdır (patojen) ve fareleri öldürür. 2. Kapsülsüz (R) suş: Kapsülü yoktur. Hastalık yapmaz ve fareleri öldürmez.

Griffith deneyinde şu adımları izledi: - Canlı R bakterilerini fareye enjekte etti, fare yaşadı. - Canlı S bakterilerini fareye enjekte etti, fare zatürre olup öldü. - Isıtılarak öldürülmüş S bakterilerini fareye enjekte etti, fare yaşadı. - En kritik aşama: Isıtılarak öldürülmüş S bakterileri ile canlı R bakterilerini karıştırıp fareye enjekte etti. Beklenti farenin yaşamasıydı ancak fare zatürreden öldü! Üstelik farenin kanında canlı, kapsüllü S bakterileri bulundu.

Griffith, ölü S bakterilerinden çıkan "bir şeyin" canlı R bakterilerine geçerek onları kapsüllü ve öldürücü S bakterilerine dönüştürdüğünü (transforme ettiğini) ileri sürdü. Bu olaya transformasyon (dönüşüm) adı verildi. Ancak Griffith bu dönüştürücü faktörün ne olduğunu bulamadı.

Transformasyon Prensibinin İspatı: Avery, MacLeod ve McCarty (1944)

Griffith'in bıraktığı yerden Oswald Avery, Colin MacLeod ve Maclyn McCarty isimli üç bilim insanı devam etti. 1944'te, transformasyona neden olan molekülün yapısını bulmak için çok titiz bir deney tasarladılar. Isıtılarak öldürülmüş S bakterilerinin özütünü (içeriğini) çıkardılar. Bu özütü beş farklı tüpe ayırdılar. Her tüpe belirli bir makromolekülü parçalayan enzim eklediler: - 1. Tüpe RNA'yı parçalayan RNaz, - 2. Tüpe proteinleri parçalayan Proteaz, - 3. Tüpe lipitleri parçalayan Lipaz, - 4. Tüpe karbonhidratları parçalayan Amilaz, - 5. Tüpe ise DNA'yı parçalayan DNaz enzimini koydular.

Daha sonra her tüpe canlı kapsülsüz (R) bakteriler ekleyip beklediler. Sonuç çok netti: DNA'nın parçalandığı tüp (5. tüp) hariç diğer tüm tüplerde canlı kapsüllü (S) bakteriler oluştu. DNaz eklenen tüpte transformasyon gerçekleşmemişti. Bu sonuç, R bakterilerini S bakterilerine dönüştüren genetik materyalin DNA olduğunu kesin olarak ispatlıyordu. Buna rağmen, bilim dünyası proteinlerin genetik materyal olduğu inancından hemen vazgeçmedi.

Şüphelerin Ortadan Kalkması: Hershey-Chase Deneyi (1952)

Kalıtım materyalinin DNA olduğunun bilim dünyası tarafından kesin kabulü, 1952'de Alfred Hershey ve Martha Chase'in yaptıkları deneyle gerçekleşti. Onlar, bakterileri enfekte eden virüsleri (bakteriyofaj veya kısaca faj) kullandılar. Fajların yapısı çok basittir: dışta protein bir kılıf, içte ise DNA bulunur. Bir faj bakteriye tutunduğunda, genetik materyalini bakterinin içine gönderir ve bakteriyi kullanarak kendini çoğaltır.

Hershey ve Chase, fajın bakteriye gönderdiği maddenin protein mi yoksa DNA mı olduğunu anlamak için radyoaktif izotop yöntemini kullandılar: - Bir grup fajı radyoaktif Kükürt (S-35) içeren ortamda çoğalttılar. Kükürt proteinlerde bulunur ama DNA'da bulunmaz. Böylece fajların sadece protein kılıfları işaretlendi. - İkinci grup fajı radyoaktif Fosfor (P-32) içeren ortamda çoğalttılar. Fosfor DNA'da bulunur ama proteinlerde bulunmaz. Böylece fajların sadece DNA'ları işaretlendi.

Daha sonra bu fajları bakterilerle aynı ortama koyarak enfeksiyon yapmalarını beklediler. Ardından karışımı blenderda karıştırıp boş faj kılıflarını bakterilerden ayırdılar ve santrifüj ettiler. Sonuçlar incelendiğinde; bakterilerin içinde radyoaktif fosfor (P-32) bulundu, radyoaktif kükürt (S-35) ise bakterilerin dışında kaldı. Bu deney, virüslerin bakteriye sadece DNA'larını gönderdiğini, yani kalıtım ve çoğalma bilgisini taşıyan molekülün protein değil DNA olduğunu tartışmaya yer bırakmayacak şekilde kanıtladı.

DNA'nın Çift Sarmal Modeli: Watson ve Crick (1953)

DNA'nın genetik materyal olduğu anlaşıldıktan sonraki büyük soru şuydu: Bu molekülün üç boyutlu yapısı nasıldı ve kendini nasıl eşliyordu? 1950'lerde Erwin Chargaff, DNA'nın yapısındaki baz dizilimleriyle ilgili önemli bir kural buldu (Chargaff Kuralı). Chargaff'a göre, hangi canlının DNA'sına bakılırsa bakılsın, Adenin miktarı daima Timin miktarına, Guanin miktarı daima Sitozin miktarına eşitti (A=T, G=C). Pürinlerin toplamı, pirimidinlerin toplamına eşitti.

İngiltere'de Rosalind Franklin ve Maurice Wilkins, X-ışını kırınımı yöntemiyle DNA'nın fotoğraflarını çekiyorlardı. Franklin'in çektiği ünlü "Fotoğraf 51", DNA'nın sarmal (heliks) bir yapıda olduğunu gösteriyordu.

James Watson ve Francis Crick, hem Chargaff'ın kurallarını hem de Franklin'in X-ışını kırınım fotoğraflarını kullanarak 1953'te DNA'nın Çift Sarmal Modeli'ni ortaya koydular. Bu modele göre DNA, ortasında bazların merdiven basamağı gibi eşleştiği, kenarlarında şeker ve fosfatın bulunduğu kıvrımlı, iki iplikli bir yapıydı. Watson ve Crick, bu harika modelleriyle genetik bilginin nasıl saklandığını ve nasıl kopyalandığını açıklayarak 1962'de Nobel Ödülü'nü kazandılar.

Tüm bu süreç; bilimin nasıl kümülatif (birikimli) ilerlediğini, farklı alanlardaki bilim insanlarının (biyologlar, kimyagerler, fizikçiler) elde ettikleri bulguların bir yapbozun parçaları gibi birleşerek büyük resmi nasıl ortaya çıkardığını gösteren en güzel örnektir.