Основа живих організмів: як ДНК робить нас унікальними

Тож 25 квітня, у Міжнародний День ДНК, Дивись.Інфо зібрали для вас найцікавіші факти про цю молекулу.

Що таке молекула ДНК

Для початку, розберемося з визначенням. ДНК або дезоксирибонуклеїнова кислота – найважливіша молекула для всіх живих істот, навіть рослин, яка складається з двох пов’язаних ниток. Ці нитки обертаються одна навколо одної, нагадуючи кручену драбину. Така форма відома ще як подвійна спіраль. ДНК містить інструкції для розвитку і розмноження всього організму і кожної його клітини окремо. Якщо загалом, то це генетичний матеріал, який передається від батьків потомству і визначає наші риси, такі як колір волосся чи довжина пальців. Науковці ще називають ДНК своєрідною інструкцією для роботи кожної клітини нашого організму. Це неначе код, який вказує як комп'ютеру виконувати різні команди. Наприклад, молекула ДНК формує статеві клітини плоду в організмі вагітної жінки, визначає схильність людини до тих чи інших захворювань і навіть інтелект.

Повний спадковий набір ваших ДНК називається геномом. Він містить 3 мільярди основ, 20 000 генів і 23 пари хромосом.  Гени насправді складають дуже мало нашого геному – лише 1 відсоток. Інші 99 відсотків допомагають регулювати інтенсивність та кількість вироблення білків. 

З чого складається ДНК

Молекула ДНК складається з нуклеотидів. Кожен нуклеотид містить три різні компоненти – цукор, фосфатну групу та азотну основу. Цукор у ДНК називається 2′-дезоксирибозою. Ці молекули цукру чергуються з фосфатними групами, складаючи «основу» ланцюга ДНК.

ДНК сприяє розвитку організму

ДНК містить вказівки, необхідні будь-якому організму – людини, тварини чи рослини – для росту, розвитку та розмноження. Ці інструкції зберігаються в послідовності пар нуклеотидних основ. Клітини організму читають цей код з трьох основ, щоб генерувати білки, необхідні для росту і виживання. Кожна група з трьох основ відповідає специфічним амінокислотам , які є будівельними блоками білків.  А білки складаються з різних комбінацій амінокислот. Якщо їх розмістити разом у правильному порядку, кожен білок має унікальну структуру та функціонування всередині вашого тіла.

Тест на встановлення родинних зв'язків

Визначення спорідненості через покоління – це доволі популярний аналіз ДНК. Його проводять для підтвердження біологічних зв’язків між батьками й дітьми, братами і сестрами, бабусями та онуками. Відсоток подібності між генетичними маркерами показує, наскільки ймовірно, що вони біологічно пов’язані. У повних братів і сестер в середньому 50% спільної ДНК, тоді як у зведених братів і сестер 25% ДНК. Навіть бабусі й дідусі діляться 25% ДНК зі своїми онуками.

До того ж, цей тест дозволяє вивчати сімейну історію людини, її походження та коріння предків.

Цікаві факти про молекулу ДНК

1. Якщо зібрати по одній молекулі ДНК всіх людей планети, а це становить понад 7,6 мільярдів осіб, разом ці молекули цілком можуть розміститися в одній чайній ложці і будуть важити близько 1,2 грама.

2. Кожен дюйм ДНК може зберігати двадцять п’ять гігабайт інформації. І щоб зберегти всю інформацію на планеті, яка переведена в цифровий вигляд, потрібно лише 2 грами ДНК.

Виходить, ГБ використовується не тільки для позначення розмірів файлів або ємності USB-накопичувачів, зовнішніх жорстких дисків, CD-ROM або DVD. До прикладу, людський мозок має можливість зберігати близько 2 500 000 гігабайтів інформації.

3. У нас і наших батьків 50% загального ДНК, але яких саме відсотків – невідомо. 

Припустимо, що за генетичним аналізом мати – італійка на 19%, а батько – на 0%. Генетично їх діти можуть бути італійцями і на 12%, і на 10%, і на 3%. Інший приклад: один з батьків має менше ніж 0,5% єврейської ДНК, його/її партнер – 1% єврейської ДНК, а от діти вже можуть бути генетичними євреями на 1,5%. Все вирішує випадок.

4. При трансплантації кісткового мозку реципієнт отримує частину ДНК донора.

Саме тому для успішної трансплантації важливо, щоби клітини донора відповідали стовбуровим клітинам пацієнта. Спочатку шукають донора у сім’ї пацієнта.

5. Одна молекула ДНК, що міститься в нашому тілі, отримує мільйон ушкоджень кожен день. На щастя, вона вміє швидко відновлюватися, інакше клітини б просто гинули.

6. Серед усіх безхребетних людині найближчі дощові хробаки. Як не дивно, з ними у нас більше загальної ДНК, ніж з набагато більш розвиненими восьминогами.

7. Якщо розгорнути ДНК всього однієї людини, то довжина ланцюжка дорівнюватиме відстані від Землі до Плутона і назад. Відстань від Землі до Плутона в кілометрах варіюється від 4.2 до 7.5 мільярдів. 

8. ДНК здатна зберігатися надзвичайно довго – період напіврозпаду для неї становить 521 рік.

9. Батьками дитини, теоретично, можуть стати двоє чоловіків. Це буде можливо, якщо в жіночій яйцеклітині замінити рідні ДНК на ДНК донора, і запліднити її спермою іншого чоловіка.

10. Вчені вважають, що секрет довголіття або навіть вічного життя, закладений в нашому ДНК. Підстави для цього дало дослідження клітин Брук Грінберг – дівчини, яка померла у віці 20 років, але при цьому завжди виглядала як маленька дитина. Єдине, що росло в її тілі, були нігті на пальцях та волосся на голові.

Мутації ДНК

Код ДНК схильний до пошкоджень. Пошкодження можуть виникнути через помилки в реплікації ДНК, вільні радикали та вплив УФ-випромінювання. І тоді відбуваються постійні зміни в послідовності ДНК, себто «мутації». Вони можуть негативно вплинути на те, як організм виробляє білки. А якщо білок не працює належним чином, можуть розвинутися хвороби, наприклад, рак.

Але не всі мутації погані. Деякі з них нешкідливі, а інші сприяють розмаїттю нашого виду. Йдеться про колір шкіри, волосся, очей та й загалом про нашу з вами унікальність.

Відкриття молекули ДНК як генетичного матеріалу

Визначення того, що ДНК є генетичним матеріалом, було важливою віхою в біології. Багато вчених проводили творчі експерименти протягом декількох десятиліть, щоб з упевненістю показати, що ДНК - це молекула, яка визначає риси організмів. Це дослідження почалося на початку 20 століття.

Перше важливе відкриття було зроблено в 1920-х роках. Американський вчений на ім'я Фредерік Гріффіт вивчав мишей. Він вводив їм два різних штами бактерії під назвою R (грубий) штам і S (гладкий) штам. Штам S вбивав мишей, на відміну від штаму R. Гріффіт також вводив мишам бактерії S-штаму, які були вбиті теплом. Як і очікувалося, мертві бактерії не завдали шкоди мишам. Однак, коли мертві бактерії S-штаму змішувалися з живими бактеріями R-штаму та вводилися, миші загинули.

Виходячи зі своїх спостережень, Гріффіт зробив висновок, що щось в мертвому S-штамі було передано раніше нешкідливому R-штаму, що робить R-штам смертельним. Але на той момент було незрозуміло, який тип речовин міг змінити характеристики організму.

Відповідь на це питання знайшла група вчених на чолі з Освальдом Ейвері в 1940-х роках. Спочатку вони інактивували різні речовини в складі бактерій S-штаму, вбили бактерії S-штаму і змішали залишки з живими бактеріями R-штаму. А потім вбили бактерії S-штаму і змішали залишки з живими бактеріями R-штаму. Коли ж науковці інактивували білки, R-штам був смертельним для введених мишей. Це виключає білки як генетичний матеріал. Чому? Навіть без протеїнів S-штаму R-штам був змінений або перетворений в смертельний штам. Однак, коли дослідники інактивували ДНК в S-штамі, R-штам залишився нешкідливим. Це призвело до висновку, що ДНК, а не білок - це речовина, яка контролює характеристики організмів. Іншими словами, ДНК - це генетичний матеріал.

Висновок про те, що ДНК є генетичним матеріалом, не був широко прийнятий, поки не був підтверджений додатковими дослідженнями. У 1950-х роках Альфред Херші і Марта Чейз робили експерименти з вірусами і бактеріями. Віруси не є клітинами. Натомість вони в основному є ДНК (або РНК) всередині білкової оболонки. Для розмноження вірус повинен вставити власний генетичний матеріал у клітину (наприклад, бактерію). Потім він використовує механізми клітини, щоб зробити більше вірусів. Дослідники використовували різні радіоактивні елементи для маркування ДНК та білків у ДНК-вірусах. Це дозволило їм визначити, яку молекулу віруси вставляли в бактеріальні клітини. ДНК була молекулою, яку вони ідентифікували. Це підтвердило, що ДНК є генетичним матеріалом.