Кіріспе

Ниренберг пен Маттай эксперименті – 1961 жылдың мамыр айында Маршалл В. Ниренберг және оның докторантурадан кейінгі тағылымдамасы Дж. Генрих Маттай Ұлттық денсаулық сақтау институтында (NIH) жүргізген ғылыми эксперимент. Эксперимент нуклеин қышқылының гомополимерлерін пайдаланып, белгілі бір аминқышқылдарды кодтау арқылы генетикалық кодтағы 64 үштік кодонның біріншісін анықтады. Эксперимент үшін бактериялық жасушалардан тірі жасушалардың қатысуынсыз ақуыз жасай алатын экстракт дайындалды. Экстрактқа тек урацилден тұратын нуклеотидтерді (полиуридил қышқылы немесе поли U) қамтитын РНК-ның жасанды түрі қосылды, бұл оның тек фенилаланин аминқышқылынан тұратын ақуызға айналуына себеп болды. Бұл эксперимент генетикалық кодтың алғашқы кодонын ашты және РНК-ның белгілі бір ақуыз түрлерін өндіруді бақылайтынын көрсетті.

Өмірбаян

Фредерик Гриффиттің жане Освальд Эйверидің жетілдірген зерттеулері Streptococcus pneumoniae бактериясында ауру тудыратын генетикалық өзгерістерге жауапты заттың ақуыз немесе липид емес, дезоксирибонуклеин қышқылы (ДНК) екенін анықтады. 1944 жылы ол және оның әріптестері Колин МакЛеод пен Маклин МакКарти ДНК генетикалық ақпаратты тасымалдауға жауапты екенін ұсынды. Кейіннен Эрвин Чаргафф (1950) ДНК құрамының түрлерге қарай өзгеше екенін ашты. Бұл тәжірибелер ДНК құрылымын анықтауға жол ашты. 1953 жылы Морис Уилкинс пен Розалинд Франклиннің рентгендік кристаллографиясының көмегімен Джеймс Уотсон мен Фрэнсис Крик ДНК-ның қос спиральды құрылымда екенін ұсынды. 1960 жылдары ғалымдар транскрипция кезінде әрбір код сөзінде, яғни кодонда қанша негіз болатынын анықтау қажет болды. Олар төрт негіздің (гуанин, цитозин, аденин және тимин) бар екенін білді. Сондай-ақ, 20 аминқышқылы бар екенін білді. Джордж Гамов генетикалық кодтың әрбір аминқышқылы үшін үш нуклеотидтен тұратынын болжады. Оның ойынша, 20 аминқышқылы және тек 4 негіз болғандықтан, кодтау бірліктері жеке (4 комбинация) немесе жұп (16 комбинация) бола алмайды. Керісінше, ол үштіктердің (64 мүмкін комбинация) генетикалық кодтың кодтау бірлігі екенін ойлады. Бірақ ол үштіктердің үстіне жабысып, дегенерацияланбағандығын айтты (кейіннен Крик өзінің «Wobble» тұжырымдамасында түсіндірді). 1950 жылдардың соңында Сеймур Бензер фаг мутацияларын пайдаланып, генетикалық аймақтың ең алғашқы сызықтық құрылымдық картасын жасады. Крик мутагенез бен генетикалық рекомбинациялық фагтарды пайдаланып генетикалық кодтың табиғатын одан әрі зерттеуге болатынын сезді. Крик, Бреннер және басқалар жасаған тәжірибеде осы фагтарды қолдану арқылы генетикалық кодтың үштік екені расталды. Олар фрейм-свифт мутацияларын және реверсия процесін пайдаланып, ДНК тізбегіне әртүрлі сандағы нуклеотидтерді қосты және жойды. ДНК тізбегіне нуклеотидтік триплет қосылғанда немесе алынып тасталғанда, кодталған белокқа минималды әсер етті. Осылайша, олар генетикалық кодтың үштік код екенін қорытындылады, себебі ол оқу фреймінде фрейм өзгерісін тудырмады. Олар кодтың дегенеративті екенін (бірнеше үштік бір аминқышқылына сәйкес келуі мүмкін) және әр нуклеотидтік тізбектің белгілі бір бастапқы нүктеден оқылатынын дұрыс тұжырымдады.

Эксперименттік жұмыстар

Бұл биологиялық құпияны шешу үшін Ниренберг пен Маттайға аминқышқылдарын ақуызға енгізетін жасушасыз жүйе қажет болды. Альфред Тиссердің жұмысына сүйене отырып, бірнеше сәтсіз әрекеттерден кейін олар E. coli бактериясының жасушаларын жарып, цитоплазманың ішкі мазмұнын босату арқылы тұрақты жүйе жасады. Бұл оларға ақуыз синтездеуге мүмкіндік берді, бірақ тек дұрыс РНК қосылғанда ғана, бұл Ниренберг пен Маттайға экспериментті бақылауға мүмкіндік берді. Олар бактериядан тыс жерде синтетикалық РНК молекулаларын жасап, осы РНК-ны E. coli жүйесіне енгізді. Эксперименттерде барлық 20 аминқышқылы бар қоспалар қолданылды. Әрбір жеке эксперимент үшін 19 аминқышқыл "салқын" (радиоактивті емес) болды, ал біреуі "ыстық" (радиоактивті 14C белгісімен белгіленді, соның арқасында кейін белгіленген аминқышқылды анықтауға болатын). Олар эксперименттің әрбір кезеңінде "ыстық" аминқышқылдың түрін өзгертіп, қандай аминқышқылдардың белгілі бір синтетикалық РНК түрін қосу арқылы ақуызға енетінін анықтауға тырысты. Алғашқы маңызды тәжірибелер поли U (тек уридин негіздерінен тұратын синтетикалық РНК, Леон Хеппель мен Максин Сингер ұсынған) арқылы жүргізілді. 1961 жылдың 27 мамырында таңғы сағат 3-те Маттай фенилаланинді "ыстық" аминқышқыл ретінде пайдаланды. Бір сағаттан кейін бақылау түтігінде (поли U болмағанда) 70 есептік көрсеткіш болды, ал поли U қосылған түтікте 38 000 есептік көрсеткіш/мл белок болды, бұл қайталанатын урацил негіздерінің тізбегі тек қайталанатын фенилаланин аминқышқылынан тұратын ақуыз тізбегін тудыратынын көрсетті. Тәжірибе кодонға шаққандағы негіздердің санын анықтамаса да, ол UUU кодоны фенилаланинді кодайтынымен сәйкес келді. Басқа синтетикалық РНК-тармен жасалған ұқсас тәжірибелерде олар поли C полипролин синтезін бағыттайтынын анықтады. Ниренберг Северо Очоа мен Джеймс Уотсон зертханалары бұрын поли A-мен ұқсас тәжірибелер жүргізгенін, бірақ полилизин (көптеген ақуыздардан айырмашылығы) трихлорогук қышқылында еритіндігі үшін ақуыз синтезін анықтауға сәтсіз болды. Сонымен қатар, синтетикалық РНК-ны пайдаланып, екі негізді әртүрлі пропорцияда кездейсоқ біріктіру арқылы олар бірнеше аминқышқылдардан тұратын ақуыздарды өндірді, олардан генетикалық кодтың үштік табиғатын анықтап, басқа аминқышқылдар үшін кодон мүмкіндіктерін тарылта алды. Расында, Маршалл В. Ниренберг, Роберт В. Холли және Хар Гобинд Хорана 1968 жылы "генетикалық кодты түсіндіргені және оның ақуыз синтезіндегі рөлі үшін" физиология немесе медицина саласындағы Нобель сыйлығына ие болды. Жеке жұмыс істеген доктор Холли (Корнелл университеті) трансферлік РНК-ның нақты химиялық құрылымын ашқан, ал доктор Хорана (Мэдисон қаласындағы Висконсин университеті) нуклеин қышқылдарын синтездеуді меңгерген. Доктор Ниренберг ДНК және РНК-да кездесетін азотты негіздердің төрт түрінен тұратын үштіктердің (яғни кодон) кез келген комбинациясы белгілі бір аминқышқылды тудыратынын көрсетті. Нобель сыйлығынан басқа, доктор Ниренберг Ұлттық ғылым академиясының молекулалық биология сыйлығын және Вашингтон ғылым академиясының биологиялық ғылымдар сыйлығын (1962), Америкалық химия қоғамының Пол Льюис сыйлығын (1963), АҚШ Денсаулық сақтау, білім беру және әл-ауқат департаментінің медалін, сондай-ақ Америка химия қоғамының Харрисон Хоу сыйлығын (1864) алды.