Tiga Model Replikasi DNA

By On Friday, February 17th, 2017 Categories : Sains

Meselson dan Stahl adalah ilmuwan yang menunjukkan bahwa DNA mengikuti model semi-konservatif. Mereka mampu menyangkal replikasi konservatif, dimana semua DNA induk dilestarikan dalam molekul asli, setelah hanya satu putaran replikasi DNA. Setelah empat ulangan lagi, mereka juga menyangkal replikasi dispersif, yang menunjukkan bahwa DNA baru terdiri dari pergantian DNA induk dan anak.

Model DNA Double Heliks

Model yang diusulkan Watson dan Crick pada tahun 1953 untuk menggambarkan struktur molekul DNA adalah penemuan penting. Tapi saat itu, banyak ilmuwan tidak yakin bahwa ini adalah model yang tepat. Sejalan dengan model struktural DNA mereka, Watson dan Crick juga mengusulkan sebuah model untuk menjelaskan bagaimana DNA disalin dalam sel.

Banyak ilmuwan berpikir model produksi DNA mereka tidak masuk akal, dan itu menyebabkan beberapa orang meragukan apakah mereka benar seperti double helix. Mari kita belajar lebih banyak tentang ilmu di balik penemuan DNA untuk mengetahui bagaimana masalah ini diselesaikan.

Para ilmuwan telah mengenal waktu yang sangat lama bahwa organisme membuat salinan DNA mereka. Membuat salinan tambahan dari instruksi dalam DNA memungkinkan organisme untuk tumbuh dan berkembang biak. Kata ilmiah untuk ‘copy‘ adalah ‘replikasi‘. Jadi ketika kita berbicara tentang DNA membuat salinan dari dirinya sendiri, kita menyebutnya replikasi DNA.

Mari kita segera meninjau hal-hal yang telah kita pelajari tentang DNA. Sebuah rantai DNA terdiri dari komponen yang lebih kecil yang disebut nukleotida. Setiap nukleotida terdiri dari gula, fosfat dan basa nitrogen. Nukleotida dibagi menjadi dua helai yang berhubungan bersama-sama seperti anak tangga pada tangga, dan tangga dipelintir menjadi bentuk yang kita sebut double heliks. 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?

Tiga Model Berbeda Untuk Replikasi DNA

Watson dan Crick telah mengusulkan bahwa untuk menggandakan dirinya, DNA harus membuka ke pusat, semacam seperti ritsleting akan terpisah, sehingga untai DNA baru bisa dibangun di atas helai terbuka. Mengikuti aturan bebas pemasangan basa, 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.

Watson dan Crick menduga bahwa model ini akan menghasilkan dua untai ganda DNA baru, masing-masing dengan satu helai induk (atau template) DNA dan satu untai DNA anak (atau yang baru disintesis) . Mereka menyebut model semi-konservatif, karena setengah dari DNA induk itu dilestarikan di setiap molekul DNA baru.

Para ilmuwan melihat DNA heliks ganda dan bertanya-tanya bagaimana di dunia ini mungkin bisa membuka diri tanpa menjadi kusut atau terkoyak. Jadi mereka pikir beberapa ide lain tentang bagaimana replikasi DNA bekerja. Salah satu hipotesis, disebut model dispersif, menyarankan bahwa DNA hanya disalin menjadi potongan pendek pada suatu waktu, menghasilkan untai baru yang berganti-ganti induk dan anak DNA. Ide lain, yang disebut model konservatif, berpendapat bahwa DNA tidak terbelah sama sekali, tapi entah bagaimana untaian induk terus utuh sambil membuat salinan sama sekali baru dan terpisah.

Tak ada yang tahu pasti bagaimana replikasi DNA benar-benar bekerja sampai dua ilmuwan bernama Matthew Meselson dan Franklin Stahl merancang percobaan cerdik pada tahun 1958. Mereka menyadari bahwa mereka bisa menguji semua tiga model sekaligus dengan melacak apa yang terjadi pada salah satu untai DNA induk karena menghasilkan serangkaian eksemplar.

Setiap model memprediksi distribusi yang berbeda dari DNA induk mengikuti putaran replikasi DNA. Jika Meselson dan Stahl mampu melacak induk dengan DNA baru, mereka juga bisa mendukung atau menolak prediksi dari tiga model yang berbeda.

Percobaan Meselson-Stahl

Meselson dan Stahl memutuskan cara terbaik untuk menandai DNA induk akan mengubah salah satu atom dalam molekul DNA induk. Ingat bahwa nitrogen ditemukan dalam basa nitrogen masing-masing nukleotida. Jadi mereka memutuskan untuk menggunakan isotop nitrogen untuk membedakan antara induk dan DNA yang baru disalin. Isotop nitrogen memiliki neutron tambahan dalam inti, yang membuatnya lebih berat.

Anda dapat melihat dari tabel periodik yang sebagian atom nitrogen memiliki berat atom 14. Kita menyebutnya atom N-14. Tapi sebuah isotop dengan tambahan neutron memiliki berat 15, jadi kita menyebutnya N-15. Para ilmuwan memutuskan untuk memulai dengan molekul DNA induk yang hanya berisi N-15. Kalau saja N-14 nukleotida yang tersedia selama replikasi DNA, mereka akan mampu membedakan mana bagian datang dari untai ganda asli dan bagian mana telah dibuat selama proses replikasi.

Untuk membuat DNA harus melalui banyak putaran replikasi, Meselson dan Stahl memanfaatkan kekuatan reproduksi umum bakteri E. coli. Mereka memastikan bahwa batch pertama dari bakteri yang terdapat hanya DNA N-15. Kemudian, mereka menempatkan bakteri menjadi media yang hanya mengandung atom N-14. Dengan begitu, setiap kali bakteri direproduksi, mereka akan dipaksa untuk menggabungkan N-14 ke dalam DNA baru mereka. Para ilmuwan duduk kembali dan membiarkan bakteri mulai bekerja.

Dengan setiap generasi baru bakteri, Meselson dan Stahl mengambil sampel sehingga mereka bisa melihat bagaimana DNA N-15 sedang didistribusikan dalam molekul anak. Sekarang, Anda mungkin bertanya-tanya, bagaimana mereka bisa membedakan antara DNA N-15 dan N-14 ? Ini tidak seperti Anda benar-benar dapat melihat sebuah isotop nitrogen. Bagaimana para ilmuwan mengetahui berapa banyak N-15 berada di dalam setiap molekul?

Jawabannya adalah berat atom. Karena N-15 memiliki satu neutron tambahan, itu akan sedikit lebih berat dari N-14 dan karena itu membuat molekul DNA lebih padat. Kita dapat memisahkan molekul DNA berdasarkan perbedaan dalam kepadatan mereka. Untuk melakukan ini, kita menggunakan sentrifus, sebuah perangkat tabung reaksi yang berputar dengan kecepatan yang sangat tinggi. Ketika tabung reaksi diputar dalam sentrifugal, semua isi didorong ke arah bawah. Zat yang tenggelam terberat jauh di bawah tabung, dan zat ringan mengapung. Jadi, jika Anda menerapkan gaya sentrifugal untuk campuran dua jenis DNA, berat DNA N-15 tenggelam untuk 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 memisah. Kemudian mereka menggunakan teknik khusus untuk melihat seberapa jauh molekul DNA tenggelam di dalam tabung.

Ketika sampel kelompok bakteri pertama mereka, Meselson dan Stahl melihat sebuah pita gelap dalam tabung tes di mana DNA N-15 telah tenggelam dan berkumpul di satu tempat. Tapi setelah mereka membiarkan bakteri berkembang biak, mereka mendapat hasil yang jauh berbeda dalam sampel mereka. DNA masih tenggelam di dalam tabung, tetapi tidak hampir sejauh generasi pertama. Ini adalah bentuk ringan dari DNA, yang berarti bahwa itu 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 Percobaan

Segera, Meselson dan Stahl tahu bahwa mereka bisa mengesampingkan salah satu dari tiga model. Model konservatif, yang menunjukkan bahwa molekul DNA asli tetap utuh, harus palsu. Model konservatif memperkirakan bahwa percobaan sentrifugasi akan menghasilkan dua pita yang berbeda – satu pita yang mewakili DNA dengan hanya N-15 dan satu pita yang mewakili DNA dengan hanya N-14. Karena mereka mengamati hanya satu pita dengan DNA kepadatan menengah, mereka tahu bahwa  setiap satu dari molekul DNA baru masing-masing terkandung campuran dari kedua bentuk nitrogen.

Tapi Meselson dan Stahl masih harus mencari tahu apakah replikasi DNA mengikuti dispersif atau model semi-konservatif. Karena kedua model akan menghasilkan hibrida induk dan anak DNA, pita menengah masih konsisten dengan kedua model. Dalam rangka untuk mencari tahu apa yang sebenarnya terjadi, Meselson dan Stahl harus membiarkan bakteri tetap bereplikasi dan mempelajari sampel DNA setelah setiap generasi.

Sebelum kita mencari tahu apa yang sebenarnya terjadi, mari kita berpikir tentang kemungkinan yang tersisa untuk percobaan ini. Bagaimana kita akan tahu apakah replikasi DNA adalah dispersif atau semi-konservatif? Apa yang kita harapkan untuk melihat apakah salah satu dari model yang mungkin itu benar?

Pertama, kita akan menganggap model dispersif benar menggambarkan replikasi DNA. Dalam replikasi dispersif, DNA disalin dalam potongan pendek, dan hasilnya adalah molekul yang bergantian potongan DNA induk dengan anak DNA. Setelah satu replikasi, molekul baru akan 50% induk dan 50% anak DNA. Setelah replikasi lain, hasilnya akan menjadi 25% dari induk asli dan 75% DNA baru disalin.

Jadi dalam setiap generasi, jumlah DNA induk akan dipotong setengah. Dalam kasus percobaan kami, generasi kedua ini akan memiliki DNA 25% N-15 dan 75% N-14 . Pada generasi ketiga, hanya akan 12,5% dari DNA N-15. Jadi kita akan selalu berharap untuk melihat salah satu pita DNA terus menerus  dalam tabung tes. Pita ini akan bergerak sedikit lebih tinggi pada tabung pada setiap generasi ketika molekul DNA menjadi semakin ringan dan lebih ringan.

Di sisi lain, data apa yang kita harapkan untuk melihat apakah model semi-konservatif yang benar? Dalam model ini, setiap molekul DNA baru akan berisi satu untai DNA induk penuh terkait di tengahnya dengan satu untai DNA penuh anak. Setelah satu replikasi, semua DNA baru akan memiliki kepadatan yang sama. Tapi, setelah putaran kedua replikasi, dua jenis DNA akan muncul: beberapa hibrida N-15 dan N-14, seperti babak sebelumnya, dan beberapa yang sepenuhnya terdiri dari DNA N-14.

Hal ini karena untai induk asli, ketika terpecah satu sama lain di awal, dilestarikan dan disimpan sebagai helai  DNA N-15 terus menerus. Mereka helai induk dapat bermitra dengan N-14 nukleotida baru, tetapi mereka selalu akan terhubung sepanjang rantai. Oleh karena itu, ketika jumlah N-14 akan tumbuh dan berkembang atas setiap generasi, akan selalu ada dua molekul DNA yang mengandung satu untai DNA induk masing-masing . Dalam percobaan, kita akan mengharapkan untuk melihat dua band terpisah muncul dalam tabung uji: satu dengan pertumbuhan populasi DNA N-14 dan satu dengan hibrida N-15 awal.

Ternyata, Meselson dan Stahl mengamati pemisahan band yang menjadi lebih jelas pada setiap generasi baru. Mereka hanya harus mengamati empat putaran replikasi sebelum mereka tahu pasti bahwa model semi-konservatif itu benar.

Ini adalah terobosan besar dalam bidang biologi karena begitu banyak ilmuwan telah berdebat tentang masalah replikasi DNA. Meselson dan Stahl mampu membantah dua hipotesis, dan sangat mendukung yang ketiga, hanya dengan melakukan percobaan cerdik sederhana.

28229232, 28229233, 28229234, 28229235, 28229236, 28229237, 28229238, 28229239, 28229240, 28229241, 28229242, 28229243, 28229244, 28229245, 28229246, 28229247, 28229248, 28229249, 28229250, 28229251, 28229252, 28229253, 28229254, 28229255, 28229256, 28229257, 28229258, 28229259, 28229260, 28229261, 28229262, 28229263, 28229264, 28229265, 28229266, 28229267, 28229268, 28229269, 28229270, 28229271