Polovina žebříku DNA je šablonou pro kopírování celé molekuly

Studijní text Animace Galerie Video BIO Úkol Odkazy a literatura

Jelikož dochází k párování adeninu s tyminem a guaninu s cytosinem, předpověděli Watson a Crick, že během replikace DNA slouží jedna polovina žebříku DNA jako šablona (templát) pro znovuvytvoření druhé poloviny. Do roku 1958 se sešly dvě skupiny důkazů, které potvrdily tuto hypotézu. Nejprve byl objeven enzym – DNA polymeráza – připojující komplementární nukleotidy podle šablony a vytvářející tak druhou polovinu molekuly DNA.

Druhý důkaz přinesl důmyslný pokus, ve kterém se používaly dusíkaté izotopy k tomu, aby se sledovala tvorba nové molekuly DNA během následujících generací bakterií. Ten ukázal, že jedno vlákno každé molekuly DNA je předáváno nezměněné do každé ze dvou mateřských buněk. Toto „konzervované“ vlákno funguje jako templát pro DNA polymerázu k syntéze druhého komplementárního vlákna, čímž vznikne nová molekula DNA.

Věděli jste, že?

Mnoho vědců vědělo o výsledcích Meselsona a Stahla měsíce předtím než byl článek vydán. Max Delbrück, kolega vědec, proto zamkl Meselsona a Stahla v místnosti se dvěma spacáky a psacím strojem do doby, než článek sepsali.

Hmmm…

Jak dochází k rozvolnění svinutých vláken DNA, aby mohla DNA polymeráza udělat svoji práci?

Galerie

Věděli jste, že?

Artur Kornberg vyrůstal ve městě. Jako dítě místo přírodních exemplářů jako jsou listy nebo hmyz, sbíral krabičky od zápalek.

Hmm…

Proč by buňka měla potřebovat více než jeden druh DNA polymerázy?

Video

Videa v této kapitole jsou v původním anglickém znění.

Frank Stahl Frank Stahl je emeritním profesorem biologie na University of Oregon. Přetrvává u něj zájem o charakterizování a porovnávání genetických rekombinačních systémů kvasinek a kolifágů.

Matthew Meselson Matt Meselson je profesorem oddělení molekulární biologie a genetiky na Harvardské univerzitě. Jeho laboratoř studuje pohlavní rozmnožování a genetickou rekombinaci a snaží se odpovědět na otázky, jak a proč jsou tyto procesy udržovány v průběhu evoluce.

Arthur Kornberg Artur Kornberg byl emeritním profesorem Oddělení biochemie na Stanfordově univerzitě. Dr. Kornberg zkoumal replikaci DNA.

Matthew Meselson a Franklin Stahl vynalezli techniku centrifugace v hustotním gradientu a použili ji k prokázání, že se DNA replikuje semikonzervativně. Arthur Kornberg objevil a izoloval DNA polymerázu I – jeden z enzymů, který může replikovat DNA.

Matthew Stanley Meselson (1930–)

Matthew Meselson se narodil v Denveru v Coloradu. Vždy chtěl být chemikem a ve sklepě a garáži své rodiny si postavil obrovskou laboratoř. Meselson studoval chemii na University of Chicago, diplomovou práci dělal na California Institute of Technology u Linuse Paulinga. Ve své diplomové práci používal rentgenovou krystalografii ke zjištění struktury specifických proteinů.

V roce 1954 odešel do Woods Hole, kde se stal asistentem. Zde Meselson potkal Franklina Stahla, kolegu postdoktoranda, který zde navštěvoval kurzy, ve kterých se učil některé techniky molekulární biologie.

Meselson a Stahl spolu strávili užitečné léto, během něhož diskutovali o teoriích a možných pokusech. Zvláště se zaměřovali na to, jak dokázat nebo vyvrátit Watsonův a Crickův model semikonzervativní replikace. Meselson a Stahl našli společnou řeč, a tak se shodli na tom, že budou spolupracovat na navrhnutí nejvhodnějšího experimentu. Stahl získal místo postdoktoranda na Caltechu a díky tomu do roku 1957 společně získali experimentální důkaz pro semikonzervativní replikaci DNA. Tento fakt dokázali díky vynalezení nové techniky, která se nazývá centrifugace v hustotním gradientu. Ta využívá odstředivou sílu k rozdělení molekul na základě hustoty. Jejich památný článek byl vydán roku 1958 a jejich pokus byl označen za „jeden z nejkrásnějších biologických experimentů“.

V roce 1957, zatímco prováděl pokusy společně se Stahlem, získal Meselson dostatečné množství údajů k dokončení doktorského studia u Paulinga. Poté zůstal v Caltechu, nejprve jako výzkumný asistent a poté jako odborný asistent chemie. Meselson pracoval na problematice rekombinace u fágů – prokázal, že rekombinace je výsledkem sestřihu molekuly DNA. V roce 1960 do laboratoře v Caltechu přicházejí François Jacob a Sydney Banner a získávají data potřebná k důkazu existence mRNA.

Na podzim roku 1960 přijal Meselson místo docenta molekulární biologie na Harvardově univerzitě, v současnosti je zde v pozici profesora přírodních věd. Objevil enzymatickou podstatu ochrany hostitelské DNA, při které buňka rozezná svoji vlastní DNA tak, že k ní přidá metylové skupiny. Cizí DNA je pak rozpoznána jako nemetylovaná a zničena restrikčními enzymy. Naopak hostitelská, metylovaná DNA, zůstane neporušená. Meselson také objevil proces opravy DNA – tzv. mismatch opravu, která umožňuje buňkám opravovat chyby v DNA. Nyní je zájmem Meselsonova výzkumu evoluce pohlaví a jako modelový systém používá bezobratlovce Rotiferu.

Od roku 1963 vyjadřuje obavy z použití chemických a biologických zbraní ve válce. Působil jako poradce pro řadu vládních agentur a podílel se na vědeckých studiích, které studovaly účinky náhodného použití a zneužití biologických zbraní. Melson je spoluřídící v Harvard Sussex Program on Chemical Biological Weapons (CBW) Armament and Arms Limitation, Jedná se o program, který se snaží stanovit limity pro použití chemických a biologických zbraní. Meselson je taktéž spolueditorem The CBW Conventions Bulletin.

Franklin William Stahl (1929–)

Franklin "Frank" Stahl se narodil v Bostonu. Svůj bakalářský titul získal v roce 1951 na Harvard University a poté přešel studovat na University of Rochester.

Zatímco dokončoval svá doktorská studia, navštívil kurz molekulární biologie ve Woods Hole. Tento kurz byl vyučován Jamesem Watsonem a Francisem Crickem, a právě tady se Stahl a Matthew Meselson potkali. Jak oba tvrdí, během přestávky se Meselson představil Stahlovi, který seděl pod velkým stromem, kde popíjel a prodával gin s tonikem. V té době byl Meselson magisterským studentem na California Institute of Technology a zabýval se zkoumáním nových metod při provádění pokusů. Stahl měl zkušenost a matematické znalosti k tomu, aby Meselsonovi pomohl navrhnout takové experimenty. Hned se spřátelili a naplánovali pro Stahla postdoktorskou práci na Caltechu.

V roce 1957 Stahl a Meselson vyvinuli techniku centrifugace v hustotním gradientu a použili ji k dokázání toho, že DNA je replikována semikonzervativním způsobem, jak předpověděli Watson a Crick ve svém článku z roku 1953. Meselsonův a Stahlův článek vyšel roku 1958. V roce 1959 Stahl přijal místo na University of Oregon, kde je stále významným emeritním profesorem molekulární biologie. Stále se výzkumně zabývá mechanismem genetické rekombinace.

Arthur Kornberg (1918–2007)

Arthur Kornberg se narodil v Brooklynu v New Yorku. Jeho rodiče emigrovali z východní Evropy a ani jeden z nich neměl konvenční vzdělání. Aby mohl uživit rodinu, pracoval Kornbergův otec v obchodě s cukrovinkami. Později si on a jeho žena otevřeli malý obchod s nářadím. Kornbergovy rodiče věřili, že vzdělání je velice důležité a povzbuzovali své děti ve studiu.

Kornberg byl vynikajícím studentem, vedl si tak dobře, že ukončil střední školu o tři roky dříve. V roce 1937, ve svých 19 letech, získal bakalářský titul na City College. Poté odešel studovat medicínu na University of Rochester.

Jeho první zkušenost s výzkumem byla klinická studie o žloutence, kterou prováděl v roce 1942. Kornberg sám trpěl lehkou formu žloutenky, a když pracoval jako stážista v Strong Memorial Hospital, začal se zajímat o četnost a příznaky lehké a těžké formy žloutenky. Jeho klinická studie byla publikována a zaujala Rolla Dyera, ředitele The National Institutes of Health (NIH). Dyer jmenoval Kornberga na post výzkumníka v NIH. Od roku 1942 do roku 1953 byl Kornberg důstojníkem v U. S. Public Health Service, později i poručíkem v U. S. Coast Guard.

Jako součást svých povinností v NIH musel během 2. světové války absolvovat plavbu jako lodní lékař. Nicméně nejvíce byl zapojen do výzkumu výživových a metabolických reakcí. Od roku 1947 do roku 1953 byl ředitelem Enzymové a metabolické sekce NIH a pracoval také na několika univerzitách jako vědecký výzkumník.

V roce 1953 byl Kornberg jmenován ředitelem oddělení mikrobiologie na Washington University School of Medicine in St. Louis. Tady izoloval DNA polymerázu I a ukázal, že život (DNA) může probíhat i ve zkumavce. V roce 1959 získal Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu společně se Severo Ochoaem – Kornberg ji získal za objev enzymatické syntézy DNA, Ochoa za enzymatickou syntézu RNA.

V roce 1959 se stal Kornberg ředitelem oddělení Biochemie na Stanfordské univerzitě a poté emeritní profesorem s vlastní výzkumnou laboratoří. Během let Kornberg izoloval a identifikoval přes 100 enzymů zapojených do metabolických reakcí.

Kornberg rád přednášel a napsal učebnici zabývající se replikací DNA, stejně jako i autobiografii “For the Love of Enzymes“, ve které popsal své vědecké zkušenosti. Viděl vědu jako tvůrčí činnost a formu umění a z prováděného výzkumu čerpal ohromné uspokojení a radost. I ostatní členové Kornbergovy rodiny se věnovali vědě. Kornbergova manželka Sylvy byla vědeckým pracovníkem a pracovala v Kornbergově laboratoři. Kornbergův syn Roger je také vědec a izoloval polymerázu III.

Věděli jste, že?

Matthew Meselson byl jedním z vědců, kteří zkoumali použití biologických prostředků ve Vietnamu. Vláda Spojených států ho požádala, aby analyzoval zbytky po možných biologických zbraních. Nakonec se ukázalo, že se jedná pouze o neškodný včelí pyl.

Hmmm…

Na počátku Meselson a Stahl použili při svých pokusech s hustotním gradientem fágovou DNA. Fágová DNA však nevytvářela ve zkumavkách jasné proužky a dávala neinterpretovatelné výsledky. Proč tomu tak mohlo být?

Odkazy a literatura

Přečišťování pomocí centrifugace
Protokol používaný v laboratorním kurzu Dr. Donald Slish's laboratory class v Plattsburgh State University of New York. Tento kurz na úrovni vyšší odborné školy Vám pomůže vytvořit představu o typech pokusů, které lze provádět pomocí metody centrifugace, včetně jednotlivých příslušných kroků. Milostný románek s enzymy
Zamyšlení Arthura Kornberga z roku 1989 napsané pro The Scientist.

• Dunn, L.C., 1991, A Short History of Genetics: The Development of Some of the Main Lines of Thought: 1864-1939, Iowa State University Press, Ames.
• Judson, Horace Freeland, 1979, The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology, Simon and Schuster, New York.
• Kornberg, Arthur, 1989, For the Love of Enzymes, Harvard University Press, Cambridge.
• Lagerkvist, Ulf, 1998, DNA Pioneers and Their Legacy, Yale University Press, New Haven.
• Micklos, David A., and Freyer, Greg A., 1990, DNA Science: A First Course in Recombinant DNA Technology, Cold Spring Harbor Laboratory Press, New York.
• Morange, Michel, 1998, A History of Molecular Biology, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts.
• Olby, Robert, 1974, The Path to the Double Helix: The Discovery of DNA, Dover Publications, Inc., New York.
• Portugal, Franklin H., and Cohen, Jack S., 1977, A Century of DNA: A History of the Structure and Function of the Genetic Substance, The Massachusetts Institute of Technology, U. S. A.
• Rosenfield, Israel, Ziff, Edward, and Van Loon, Borin, 1983, DNA for Beginners, Writers and Readers Publishing, Inc.
• Taylor, J. Herbert, 1965, Selected Papers on Molecular Genetics, Academic Press, New York.
• Watson, James D., 1987, Molecular Biology of the Gene, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc., Menlo Park, California.

RNDr. Pavel Lízal, Ph.D., Mgr. Zuzana Hanzelková a kolektiv |
ÚEB, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita |
Mendelovo muzeum, Masarykova univerzita |
Návrat na úvodní stránku webu, přístupnost |

| Technická spolupráce:
| Servisní středisko pro e-learning na MU
| Fakulta informatiky Masarykovy univerzity, 2013

Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení | CZ.1.07/2.2.00/28.0041

Nahoru