Calon Ilmuan Biologi - Meselson dan Stahl adalah ilmuwan yang menunjukkan bahwa DNA mengikuti model semi-konservatif. Mereka mampu menolak replikasi konservatif, di mana semua DNA orangtua diawetkan dalam molekul asli, setelah hanya satu putaran replikasi DNA. Setelah empat kali ulangan lagi, mereka juga menolak replikasi menyebar, menunjukkan bahwa DNA baru terdiri dari perubahan DNA orangtua dan anak.
Model DNA Ganda Heliks
Model yang diusulkan Watson dan Crick pada tahun 1953 untuk menggambarkan struktur molekul DNA adalah penemuan penting. Namun saat itu, banyak ilmuwan tidak yakin bahwa ini adalah model yang tepat. Sejalan dengan model DNA struktural mereka, Watson dan Crick juga mengusulkan model untuk menjelaskan bagaimana DNA disalin dalam sel.
Banyak ilmuwan berpikir model produksi DNA mereka tidak masuk akal, dan itu menyebabkan sebagian orang meragukan apakah mereka benar sebagai helix ganda. Mari kita pelajari lebih lanjut tentang ilmu di balik penemuan DNA untuk mencari tahu bagaimana masalah ini terpecahkan.
Para ilmuwan telah mengetahui untuk waktu yang sangat lama bahwa organisme membuat salinan DNA mereka. Membuat salinan instruksi tambahan dalam DNA memungkinkan organisme untuk tumbuh dan berkembang biak. Kata ilmiah untuk 'copy' adalah 'replikasi'. Jadi ketika kita berbicara tentang DNA yang membuat salinan dari dirinya sendiri, kita menyebutnya replikasi DNA.
Mari kita segera meninjau hal-hal yang telah kita pelajari tentang DNA. Rantai DNA terdiri dari komponen yang lebih kecil yang disebut nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari gula, fosfat dan basa nitrogen.
Nukleotida dibagi menjadi dua untai yang dihubungkan bersama seperti anak tangga di tangga, dan tangga dipelintir menjadi bentuk yang kita sebut heliks ganda. Watson dan Crick pertama kali mengajukan model struktural, dan studi ilmiah lebih lanjut telah menunjukkan bahwa mereka pada dasarnya benar. Jadi mengapa mereka ditantang oleh komunitas ilmiah?
 |
| Gambar DNA |
Watson dan Crick telah mengusulkan bahwa untuk menggandakan dirinya, DNA harus terbuka ke pusat, semacam ritsleting akan dipisahkan, sehingga untaian DNA baru dapat dibangun di atas untaian terbuka.
Mengikuti aturan dasar instalasi gratis, adenin akan berpasangan dengan timin, dan sitosin akan berpasangan dengan guanin. Ide ini disebut model template (cetakan), karena salah satu untai DNA berfungsi sebagai cetakan untuk yang baru.
Tiga Model Replikasi DNA
Watson dan Crick menduga bahwa model ini akan menghasilkan dua untaian ganda DNA baru, masing-masing dengan untai tunggal induk (atau templat) DNA dan untai DNA satu anak (atau yang baru disintesis). Mereka menyebut model semi-konservatif, karena separuh DNA induk diawetkan di setiap molekul DNA baru.
Para ilmuwan melihat DNA heliks ganda dan bertanya-tanya bagaimana di dunia ini mungkin dapat membuka tanpa menjadi kusut atau robek. Jadi mereka memikirkan beberapa gagasan lain tentang bagaimana replikasi DNA bekerja.
Satu hipotesis, yang disebut model dispersif, menunjukkan bahwa DNA hanya disalin menjadi potongan-potongan pendek pada suatu waktu, menghasilkan untaian baru yang bergantian antara ibu dan anak DNA. Ide lain, yang disebut model konservatif, berpendapat bahwa DNA tidak terpecah sama sekali, tetapi entah bagaimana helai induknya tetap utuh saat membuat salinan yang benar-benar baru dan terpisah.
Tidak ada yang tahu pasti bagaimana replikasi DNA benar-benar bekerja sampai dua ilmuwan bernama Matthew Meselson dan Franklin Stahl mendesain eksperimen cerdik pada tahun 1958. Mereka menyadari bahwa mereka dapat menguji ketiga model sekaligus dengan melacak apa yang terjadi pada salah satu untaian DNA induk karena menghasilkan serangkaian salinan.
Setiap model memprediksi distribusi DNA induk yang berbeda setelah putaran replikasi DNA. Jika Meselson dan Stahl dapat melacak induk dengan DNA baru, mereka juga dapat mendukung atau menolak prediksi dari tiga model yang berbeda.
Percobaan Meselson-Stahl
Meselson dan Stahl memutuskan cara terbaik untuk menandai DNA induk adalah mengubah salah satu atom dalam molekul DNA induk. Ingat bahwa nitrogen ditemukan dalam basa nitrogen dari masing-masing nukleotida. Jadi mereka memutuskan untuk menggunakan isotop nitrogen untuk membedakan antara induk dan DNA yang baru disalin. Nitrogen isotop memiliki neutron tambahan di nukleus, yang membuatnya lebih berat.
Anda dapat melihat dari tabel periodik bahwa beberapa atom nitrogen memiliki berat atom 14. Kita menyebutnya atom N-14. Tapi isotop dengan neutron tambahan beratnya 15, jadi kami menyebutnya N-15.
Para ilmuwan memutuskan untuk memulai dengan molekul DNA induk yang hanya mengandung N-15. Jika hanya N-14 nukleotida yang tersedia selama replikasi DNA, mereka akan dapat mengetahui bagian mana yang berasal dari untai ganda asli dan bagian mana yang telah dibuat selama proses replikasi.
Untuk membuat DNA melalui banyak putaran replikasi, Meselson dan Stahl memanfaatkan kekuatan reproduksi bakteri E. coli yang umum. Mereka menegaskan bahwa batch pertama dari bakteri hanya mengandung N-15 DNA.
Kemudian, mereka memasukkan bakteri ke dalam media yang hanya mengandung atom N-14. Dengan cara itu, setiap kali bakteri direproduksi, mereka akan dipaksa untuk memasukkan N-14 ke DNA baru mereka. Para ilmuwan duduk dan membiarkan bakteri mulai bekerja.
Dengan setiap generasi baru bakteri, Meselson dan Stahl mengambil sampel sehingga mereka bisa melihat bagaimana DNA N-15 didistribusikan dalam molekul anak. Sekarang, Anda mungkin bertanya-tanya, bagaimana mereka membedakan antara N-15 dan N-14 DNA? Ini tidak seperti Anda benar-benar dapat melihat isotop nitrogen. Bagaimana para ilmuwan tahu berapa banyak N-15 dalam setiap molekul?
Jawabannya adalah berat atom. Karena N-15 memiliki satu neutron tambahan, ia akan sedikit lebih berat daripada N-14 dan karenanya membuat molekul DNA lebih padat. Kita dapat memisahkan molekul DNA berdasarkan perbedaan kepadatannya.
Untuk melakukan ini, kami menggunakan centrifuge, alat tabung uji yang berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi. Ketika tabung reaksi diputar dalam centrifuge, semua isinya didorong ke bawah. Zat yang tenggelam terberat jauh di bawah tabung, dan zat ringan mengambang. Jadi, jika Anda menerapkan gaya sentrifugal ke campuran dua jenis DNA, berat DNA N-15 tenggelam ke tingkat yang lebih rendah daripada molekul N-14.
Setiap kali Meselson dan Stahl ingin mengambil sampel dari DNA bakteri, mereka harus memotong organisme kecil dan mengosongkan semua isi ke dalam tabung reaksi. Mereka dicampur dalam larutan garam dan kemudian memutar tabung reaksi selama berjam-jam untuk membuat zat terpisah. Kemudian mereka menggunakan teknik khusus untuk melihat seberapa jauh molekul DNA tenggelam di dalam tabung.
Saat mengambil sampel kelompok bakteri pertama mereka, Meselson dan Stahl melihat pita gelap di dalam tabung uji tempat DNA N-15 tenggelam dan berkumpul di satu tempat. Tetapi setelah mereka membiarkan bakteri berkembang biak, mereka mendapatkan hasil yang jauh berbeda dalam sampel mereka.
DNA masih tenggelam dalam tabung, tetapi tidak sampai sejauh generasi pertama. Ini adalah bentuk DNA yang ringan, yang berarti tidak benar-benar dibuat dengan isotop N-15. Setelah satu replikasi, semua DNA telah diubah menjadi hibrida DNA N-15 dan N-14.
Hasil Dari Eksperimen
Segera, Meselson dan Stahl tahu bahwa mereka dapat mengesampingkan satu dari tiga model. Model konservatif, yang menunjukkan bahwa molekul DNA asli tetap utuh, harus salah. Model konservatif memperkirakan bahwa percobaan sentrifugasi akan menghasilkan dua band berbeda - satu band yang mewakili DNA dengan hanya N-15 dan satu band yang mewakili DNA hanya dengan N-14.
Karena mereka hanya mengamati satu pita dengan DNA densitas sedang, mereka tahu bahwa setiap molekul DNA baru masing-masing mengandung campuran kedua bentuk nitrogen.
Tetapi Meselson dan Stahl masih harus mencari tahu apakah replikasi DNA mengikuti model dispersif atau semi-konservatif. Karena kedua model akan menghasilkan hibrida induk dan DNA anak, pita menengah masih konsisten dengan kedua model. Untuk mengetahui apa yang sebenarnya terjadi, Meselson dan Stahl harus membiarkan bakteri terus mereplikasi dan mempelajari sampel DNA setelah setiap generasi.
Sebelum kita menemukan apa yang sebenarnya terjadi, mari pikirkan kemungkinan yang tersisa untuk eksperimen ini. Bagaimana kita akan tahu jika replikasi DNA bersifat dispersif atau semi-konservatif? Apa yang kita harapkan untuk melihat apakah salah satu model yang mungkin benar?
Pertama, kita akan menganggap model dispersif dengan tepat menggambarkan replikasi DNA. Dalam replikasi dispersif, DNA disalin dalam potongan-potongan pendek, dan hasilnya adalah molekul yang bergantian antara potongan DNA induk dan anak-anak DNA.
Setelah satu replikasi, molekul baru akan menjadi 50% induk dan 50% DNA anak. Setelah replikasi lainnya, hasilnya adalah 25% dari ibu asli dan 75% DNA baru disalin.
Jadi di setiap generasi, jumlah DNA induk akan dipotong setengahnya. Dalam kasus percobaan kami, generasi kedua ini akan memiliki 25% N-15 dan 75% N-14 DNA. Pada generasi ketiga, hanya 12,5% dari N-15 DNA.
Jadi kita akan selalu berharap untuk melihat salah satu band DNA secara terus menerus di dalam tabung reaksi. Band ini akan bergerak sedikit lebih tinggi dalam tabung untuk setiap generasi ketika molekul DNA menjadi lebih terang dan lebih ringan.
Di sisi lain, data apa yang kita harapkan untuk melihat apakah model semi-konservatif benar? Dalam model ini, setiap molekul DNA baru akan mengandung satu untaian DNA induk yang terhubung sepenuhnya di pusat dengan satu untai DNA penuh anak-anak. Setelah satu kali replikasi, semua DNA baru akan memiliki kerapatan yang sama. Tapi, setelah putaran kedua replikasi, dua jenis DNA akan muncul: beberapa hibrida N-15 dan N-14, seperti ronde sebelumnya, dan beberapa di antaranya seluruhnya terdiri dari DNA N-14.
Ini karena untaian induk asli, ketika terpecah satu sama lain di awal, diawetkan dan disimpan sebagai untaian terus menerus N-15 DNA. Untai induk tersebut dapat bermitra dengan nukleotida N-14 yang baru, tetapi mereka akan selalu terhubung di sepanjang rantai.
Oleh karena itu, ketika nomor N-14 akan tumbuh dan berkembang di setiap generasi, akan selalu ada dua molekul DNA yang mengandung satu untai dari setiap DNA induk. Dalam percobaan, kita akan berharap untuk melihat dua band terpisah muncul di tabung reaksi: satu dengan pertumbuhan populasi N-14 DNA dan satu dengan hibrida N-15 awal.
Rupanya, Meselson dan Stahl mengamati pemisahan band yang menjadi lebih jelas di setiap generasi baru. Mereka hanya harus mengamati empat putaran replikasi sebelum mereka tahu pasti bahwa model semi-konservatif benar.
Ini adalah terobosan besar dalam bidang biologi karena begitu banyak ilmuwan berpendapat tentang masalah replikasi DNA. Meselson dan Stahl mampu menyanggah dua hipotesis, dan sangat mendukung yang ketiga, hanya dengan membuat eksperimen cerdas sederhana.
0 komentar:
Posting Komentar