فيديو الدرس: الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ بوصفه المادة الوراثية الأحياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتعرف على التجارب المختلفة التي أجراها العلماء في القرن العشرين لدراسة المادة الوراثية للكائنات الحية. وسوف نتتبع المخطط الزمني الذي أثبت خلاله بشكل قاطع أن ‪DNA‬‏ هو المادة الوراثية.

يتكون كل كائن حي من وحدات منفردة مجهرية تسمى الخلايا. بعض الكائنات الحية، مثل البكتيريا، لها خلية واحدة فقط. ويحتوي البعض الآخر، مثل البشر، على تريليونات الخلايا. وبغض النظر عن العدد، تؤدي كل خلية في جسم الكائن الحي وظيفة محددة للغاية. يمكننا التفكير في الجسم باعتباره مصنعًا تمثل فيه الخلايا الموظفين. حيث يعرف كل موظف الوظيفة التي يجب أن يؤديها بالضبط، وهذا ما يحافظ على سير عمل المصنع بسلاسة. إذن فالسؤال هو «كيف تعرف الخلايا وظيفتها بالضبط في الجسم؟»

اليوم، بالطبع، نعلم أن الإجابة هي ‪DNA‬‏. ‏‪DNA‬‏، أو الحمض النووي الريبوزي المنقوص الأكسجين، هو الجزيء المزدوج الشريط الذي يحمل المعلومات الوراثية في خلايا جميع الكائنات الحية. المعلومات الوراثية هي التي تتحكم في وظيفة كل جهاز في الجسم، من مظهره الخارجي، إلى المواد التي ينتجها، إلى موقعه في الجسم. لكن تتمثل أهم وظيفة من وظائف ‪DNA‬‏ في نقل المعلومات التي يحملها. عندما يتكاثر الكائن الحي، تحتاج خلايا النسل إلى الحصول على معلومات وراثية أيضًا، حتى تتمكن خلاياه وأجهزته من العمل بسلاسة. لذلك، إلى جانب القدرة على تخزين المعلومات الوراثية، فإن ‪DNA‬‏ ينقلها أيضًا من جيل إلى آخر.

ذكرنا سابقًا أننا نعرف اليوم أن ‪DNA‬‏ هو المادة الوراثية. ولكن لم تكن هذه الحقيقة مقبولة دائمًا. في بداية القرن العشرين، كان من المقبول على نطاق واسع أن المعلومات الوراثية تنتقل من الأبوين إلى النسل. وعرف العلماء أن هذه هي الطريقة التي يتشارك بها الأطفال صفاتهم مع الأبوين، وربما تكون هذه هي الطريقة التي تورث بها بعض الاضطرابات الوراثية. لكن الحقيقة الأساسية كانت غائبة. فلم يعرف أحد بالضبط ما الجزيء الذي يحمل هذه المعلومات الوراثية. في هذا الفيديو، سوف نتتبع الاكتشافات العلمية والنظريات التي قادت البشر إلى فهم الحقيقة التي نعرفها اليوم، وهي أن ‪DNA‬‏ هو المادة الوراثية.

لنعد إلى عام 1869 عندما اكتشف ‪DNA‬‏ لأول مرة. في عام 1869، درس عالم من سويسرا يدعى فريدريك ميسشر خلايا مناعية عزلها من ضمادات مستعملة حصل عليها من مستشفى قريب. واكتشف جزيئًا جديدًا في نوى هذه الخلايا المناعية. ووجد أنه حمضي ويحتوي على الفوسفور. أطلق على هذا الجزيء اسم «النيوكلين»، ولكننا نعرف الآن أنه كان في الحقيقة عبارة عن ‪DNA‬‏. في ذلك الوقت، لم يعرف ميسشر ما وظيفة هذا الجزيء. لنضع اكتشاف ميسشر في بداية المخطط الزمني. سنعود إلى هذا المخطط الزمني بين الحين والآخر، حتى نتمكن من رؤية كيف جمع العلماء اكتشافاتهم معًا بمرور الوقت.

بعد بضعة عقود، ساهم عالمان يدعيان والتر سوتون، وثيودور بوفيري بجزء آخر مهم من حل اللغز. في عام 1902، درس والتر سوتون الوراثة في حشرة الجندب. وفي عام 1903، أجرى ثيودور بوفيري تجارب مماثلة على قنافذ البحر. وعلى الرغم من أنهما لم يعملا معًا، إلا أنهما توصلا إلى استنتاج مشابه، وهو ما يسمى الآن بنظرية الكروموسومات في الوراثة. حيث اقترحا أن الكروموسومات هي المسئولة عن نقل المعلومات الوراثية من جيل إلى آخر في جميع الكائنات الحية.

لنلق نظرة سريعة على الكروموسومات ونفهم وظيفتها. كما نلاحظ في هذا الشكل، الكروموسومات هي تراكيب خطية، وتوجد في نوى الخلايا. افترض كل من سوتون وبوفيري أن الكروموسومات تحمل الجينات، وأنه يجري نسخها ونقلها عندما تتكاثر الكائنات الحية. نحن نعلم الآن أن الكروموسومات تتكون من جزيئات ‪DNA‬‏ مكثفة بواسطة بروتينات تسمى الهستونات. ولكن عندما طرحت نظرية الكروموسومات، لم يكن سوتون وبوفيري يعرفان إذا ما كان البروتين أم الحمض النووي هو الذي يحمل الجينات بالفعل. لنسجل هذه النظرية في المخطط الزمني أيضًا. يمكننا أن نرى أن أجزاء اللغز بدأت تتجمع ببطء.

في أوائل القرن العشرين، اعتقد العديد من العلماء أن البروتينات هي المسئولة عن نقل المعلومات الجينية وليس ‪DNA‬‏. وعلى مدار العقود القليلة التالية، أجريت العديد من التجارب المهمة التي ساعدت العلماء على حسم هذا الجدل. دعونا نتتبع هذه الرحلة التي بدأت عام 1928.

أجرى العالم الإنجليزي فريدريك جريفيث تجارب على بكتيريا تسمى «‪Streptococcus pneumoniae‬‏». وهو نوع من البكتيريا يمكن أن يسبب الالتهاب الرئوي. توجد عدة أنواع أو سلالات مختلفة من هذه البكتيريا. وخلال دراسته، اختار جريفيث سلالتين مختلفتين. إحداهما هي السلالة الملساء، أو السلالة «‪S‬‏». البكتيريا التي تنتمي إلى السلالة «‪S‬‏» لها أسطح ملساء لأنها تصنع طبقة خارجية ملساء من متعدد السكريات. السلالة الأخرى هي السلالة الخشنة أو السلالة «‪R‬‏». وكما قد تكون خمنت، هذه البكتيريا ليس لها طبقة من متعدد السكريات على أسطحها.

ثمة فرق مهم آخر بين السلالة «‪S‬‏» والسلالة «‪R‬‏»، وهو ما كان جريفيث مهتمًّا به تحديدًا. السلالة «‪S‬‏» هي السلالة المميتة من البكتيريا، ما يعني أنها قادرة على التسبب في عدوى ضارة للكائنات الحية الأخرى. من ناحية أخرى، فالسلالة «‪R‬‏» هي السلالة غير المميتة، التي لا تسبب عدوى ضارة.

لنر كيف استخدم جريفيث هذه المعرفة في تجاربه. بدأ جريفيث بمجموعتين من الفئران. سنستخدم فأرًا واحدًا فقط لتمثيل كل مجموعة. حقن سلالة البكتيريا «‪S‬‏» في المجموعة الأولى من الفئران، والسلالة «‪R‬‏» في المجموعة الثانية. ولاحظ أن الفئران المحقونة بالسلالة «‪R‬‏» ظلت بصحة جيدة، ولكن الفئران التي أعطيت السلالة «‪S‬‏» أصيبت بالالتهاب الرئوي وماتت في النهاية.

بعد ذلك، فصل جريفيث مجموعة من سلالة البكتيريا «‪S‬‏» واستخدم الحرارة لقتلها أو تثبيط نشاطها. سنسميها السلالة «‪S‬‏» المقتولة بالحرارة. عندما حقنت هذه البكتيريا في الفئران، ظلت الفئران بصحة جيدة. وهذا يعني أنه بمجرد تعرضها للقتل بالحرارة، لم تعد سلالة البكتيريا «‪S‬‏» قادرة على إصابة الفئران بالالتهاب الرئوي.

الآن، يأتي الجزء المثير للاهتمام. صنع جريفيث خليطًا يحتوي على سلالة البكتيريا «‪S‬‏» المقتولة بالحرارة، وسلالة البكتيريا «‪R‬‏» الحية. تذكر أنه وفقًا لتجربته السابقة، لم يكن لأي من هاتين السلالتين القدرة على التسبب في حدوث الالتهاب الرئوي. ومع ذلك، عندما حقن الفئران بهذا الخليط، وجد أنها جميعًا قد أصيبت بالالتهاب الرئوي وماتت. علاوة على ذلك، عندما فحص دم هذه الفئران الميتة، وجد سلالة البكتيريا «‪S‬‏» الحية، التي لم يحقنها. فكيف حدث ذلك؟ هل عادت سلالة البكتيريا «‪S‬‏» للحياة بطريقة ما وقتلت هذه الفئران؟

قد يبدو هذا وكأنه فيلم مخيف، ولكن في الحقيقة تفسيره بسيط إلى حد ما. ما حدث بالفعل هو أن مادة غامضة من سلالة البكتيريا «‪S‬‏» المقتولة بالحرارة انتقلت إلى سلالة البكتيريا «‪R‬‏» مما تسبب في تحولها. وقد منحت هذه المادة سلالة البكتيريا «‪R‬‏» الحية القدرة على تخليق طبقة واقية ملساء والتسبب في إصابة الفئران بالالتهاب الرئوي. هذه الظاهرة، التي تسمى التحول البكتيري، لم تسجل من قبل. وأطلق جريفيث على هذه المادة الغامضة اسم العامل المحول. دعونا نسجل سريعًا ملاحظات جريفيث على مخططنا الزمني.

قبل أن نتابع، لنعد إلى هذا السؤال الذي يحتاج إلى إجابة. هل البروتينات أم الأحماض النووية هي التي تحمل المعلومات الوراثية؟ بينما أظهرت تجربة جريفيث بعض النتائج المثيرة للاهتمام، إلا أنه لم يجد في الواقع إجابة لتسوية هذا الجدال. في عام 1944، اقتربت مجموعة مكونة من ثلاثة علماء، وهم إيفري، ومكلاود، ومكارتي من الإجابة عن هذا السؤال. واستخدموا نتائج جريفيث أساسًا لتجاربهم.

تمامًا مثل جريفيث، أحضروا سلالة «‪S‬‏» وسلالة «‪R‬‏» من بكتيريا «‪Streptococcus pneumoniae‬‏» واستخدموا الحرارة لقتل سلالة البكتيريا «‪S‬‏». تذكر أنهم كانوا يحاولون تحديد إذا ما كان العامل المحول بروتينًا أم حمضًا نوويًّا. ولعلك تتذكر أنه يوجد في الواقع نوعان من الأحماض النووية: ‪DNA‬‏ و‪RNA‬‏. قسم إيفري ومجموعته سلالة البكتيريا «‪S‬‏» المقتولة بالحرارة إلى ثلاث مجموعات. وأضافوا إنزيمات إلى كل مجموعة: إنزيم البروتييز إلى المجموعة الأولى، وإنزيم الريبونيوكليز (أو RNase) إلى المجموعة الثانية، وإنزيم دي أكسي ريبونيوكليز (أو DNase) إلى المجموعة الثالثة. تعطينا أسماء هذه الإنزيمات فكرة عن وظيفتها. فالبروتييز يكسر أو يحلل البروتينات، و‪RNase‬‏ يحلل ‪RNA‬‏، و‪DNase‬‏ يحلل ‪DNA‬‏. هذا يعني أن المجموعة الأولى من سلالة البكتيريا «‪S‬‏» لا تحتوي على بروتينات، والمجموعة الثانية لا تحتوي على ‪RNA‬‏، والمجموعة الثالثة لا تحتوي على ‪DNA‬‏.

ثم مزجوا كل مجموعة من هذه المجموعات بسلالة البكتيريا «‪R‬‏» الحية، مثلما فعل جريفيث. وعندما درسوا هذه المخاليط، لاحظوا علامات تحول بكتيري في المجموعتين الأولى والثانية. لكن في المجموعة الثالثة، التي لم تكن تحتوي على ‪DNA‬‏ فعال للسلالة «‪S‬‏»، لم يلاحظوا أي علامات على التحول. وقادهم ذلك إلى استنتاج أن العامل المحول الذي ذكره جريفيث هو في الواقع ‪DNA‬‏. حيث احتوت أول مجموعتين على ‪DNA‬‏ سليم، وهو ما مكن البكتيريا من التحول.

دعونا نسجل هذا الاكتشاف في مخططنا الزمني أيضًا. أثبت إيفري، ومكلاود، ومكارتي لأول مرة أن ‪DNA‬‏ هو العامل المحول، وأنه يتسبب في التحول البكتيري. لكن العديد من العلماء لم يقتنعوا بأن ‪DNA‬‏ هو المادة الوراثية. وفي عام 1952، قدم ألفريد هيرشي ومارثا تشيس في النهاية دليلًا قويًّا على أن هذا الجزيء المراوغ هو بالفعل ‪DNA‬‏. لنلق نظرة على تجاربهما.

استخدم هيرشي وتشيس نوعًا من الفيروسات يسمى البكتيريوفاج في تجاربهما. سميت بالبكتيريوفاج لأنها تصيب البكتيريا عن طريق حقن مادتها الوراثية في الخلايا البكتيرية. كل بكتيريوفاج له غلاف يسمى بالغلاف البروتيني، وهو مكون من بروتينات. يحتوي هذا الغلاف على ‪DNA‬‏. لنتذكر ما اكتشفه فريدريك ميسشر في عام 1869. فقد وجد أن «النيوكلين» جزيء يحتوي على الفوسفور. بناء على ذلك، عرف هيرشي وتشيس أن ‪DNA‬‏ يحتوي على الفوسفور. لا تحتوي البروتينات على الفوسفور. ولكنها تحتوي عادة على الكبريت، الذي لا يحتوي عليه ‪DNA‬‏. واستخدما هذا الاختلاف بين البروتينات و‪DNA‬‏ في تجاربهما.

أنتج هيرشي وتشيس مجموعتين من البكتيريوفاج في معملهما. في المجموعة الأولى، استخدما وسطًا يحتوي على الكبريت المشع. وهذا يعني أن الغلاف البروتيني الموجود في البكتيريوفاج سيحتوي على كبريت مشع. وبالمثل، استخدما الفسفور المشع في المجموعة الثانية بحيث يحتوي أي ‪DNA‬‏ في البكتيريوفاج على الفوسفور المشع. ثم سمحا لهاتين المجموعتين من البكتيريوفاج بأن تصيبا مجموعتين منفصلتين من البكتيريا. تذكر أنها تفعل ذلك عن طريق حقن مادتها الوراثية في الخلايا البكتيرية.

بمجرد حدوث العدوى، مزج هيرشي وتشيس كل خليط في جهاز الخلط. ثم وضعا كل خليط في جهاز الطرد المركزي. أدى هذا إلى فصل الخلية البكتيرية المصابة عن جزء البكتيريوفاج الذي ترك خارج الخلية. وبمجرد الانتهاء من ذلك، تبقى لديهما مجموعتان من الخلايا البكتيرية المصابة. بعد ذلك، تحققا من النشاط الإشعاعي في هذه الخلايا المصابة. ووجدا أن البكتيريا المصابة بالفيروسات التي تحتوي على بروتينات مشعة لم تظهر أي نشاط إشعاعي، في حين أن البكتيريا المصابة بالفيروسات التي تحتوي على ‪DNA‬‏ مشع أظهرت بالفعل نشاطًا إشعاعيًّا.

لنفكر فيما يعنيه ذلك. حقنت الفيروسات مادتها الوراثية في البكتيريا، ما يعني أن الجزء المتبقي من الفيروس سيتبقى خارج الخلايا البكتيرية. في المجموعة الأولى من البكتيريوفاج، كان النشاط الإشعاعي في بروتيناتها، في حين أن في المجموعة الثانية كان النشاط الإشعاعي في ‪DNA‬‏ الخاص بها. وحقيقة أن المجموعة الثانية من البكتيريا هي التي أظهرت نشاطًا إشعاعيًّا بعد العدوى، دليل واضح على أن ‪DNA‬‏ هو المادة الوراثية التي حقنت في البكتيريا.

دعونا نضف هذه المساهمة النهائية إلى المخطط الزمني. يمكننا الآن أن نرى كيف عمل العديد من العلماء معًا على مر السنين، حيث أسهمت كل مجموعة بقطعة جديدة من حل اللغز حتى تشكلت صورة واضحة: أن ‪DNA‬‏ هو المادة الوراثية.

لنستعرض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الفيديو. في عام 1869، اكتشف فريدريك ميسشر جزيئًا حمضيًّا يحتوي على الفوسفور في خلايا مناعية. أطلق على هذا الجزيء اسم «النيوكلين». في عامي 1902 و1903، طرح سوتون وبوفيري نظرية الكروموسومات في الوراثة، التي تنص على أن المادة الوراثية تحمل في صورة تراكيب خطية تسمى الكروموسومات. في عام 1928، أثبت فريدريك جريفيث لأول مرة حدوث التحول البكتيري، واكتشف مادة تسمى العامل المحول. في عام 1944، أثبت كل من إيفري، ومكلاود، ومكارتي أن هذا العامل المحول هو في الواقع ‪DNA‬‏. في عام 1952، استخدم هيرشي وتشيس البكتيريوفاج لتقديم دليل قاطع على أن ‪DNA‬‏ هو المادة الوراثية.