7.1 આનુવંશિક પદાર્થ તરીકે DNA

તમે પાછલા અધ્યાયમાં અભ્યાસ કર્યો છે કે લક્ષણો અથવા ગુણધર્મો જનીનો દ્વારા માતાપિતાથી સંતાનોમાં વારસાગત રીતે મળે છે. તમે એ પણ જાણો છો કે આ જનીનો ક્રોમોઝોમ પર હાજર છે જે ન્યુક્લિક એસિડ અને પ્રોટીનથી બનેલા છે. જો કે, લક્ષણની અભિવ્યક્તિ માટે જવાબદાર જનીનની પ્રકૃતિને સમજવું વૈજ્ઞાનિક સમુદાય પહેલાંની સૌથી મોટી પડકારોમાંની એક હતી. આ પ્રશ્નનો જવાબ કેટલાક પ્રાયોગિક પુરાવાઓ પછી આવ્યો કે ડીઓક્સિરાઇબોન્યુક્લિક એસિડ (DNA) થોડા વાઇરસ સિવાય કોઈપણ સજીવનો લક્ષણ અથવા ગુણધર્મ નક્કી કરે છે.

DNA ની શોધનો શ્રેય જોહાન ફ્રેડરિક મીશરને જાય છે, જેમણે પ્રથમ વખત પસ કોશિકાઓના કેન્દ્રકમાંથી એસિડિક પદાર્થને અલગ કર્યો અને ન્યુક્લિન નામ આપ્યું જેમાં DNA અને પ્રોટીન હતું. ક્રોમોઝોમ અને કેન્દ્રકમાં હાજરીને કારણે આ બે રાસાયણિક ઘટકો; ન્યુક્લિક એસિડ (મુખ્યત્વે DNA) અને પ્રોટીન આનુવંશિક પદાર્થ હોવાના સંભવિત ઉમેદવારો બન્યા. હજુ પણ, આનુવંશિક પદાર્થની પ્રકૃતિ લાંબા સમય સુધી અજાણી રહી. ધીમે ધીમે, વિવિધ સંશોધકો દ્વારા સૂક્ષ્મજીવો સાથેના પ્રયોગોએ પરિણામો આપ્યા જે DNA ને આનુવંશિક પદાર્થ તરીકેના પુરાવા તરફેણમાં પૂરા પાડ્યા.

7.1.1 રૂપાંતરણ સિદ્ધાંતની શોધ

1928માં, એક બ્રિટિશ મેડિકલ અધિકારી, ફ્રેડરિક ગ્રિફિથે સસ્તન પ્રાણીઓમાં બેક્ટેરિયમ સ્ટ્રેપ્ટોકોકસ ન્યુમોનિયા (જેને ડિપ્લોકોકસ ન્યુમોનિયા પણ કહેવાય છે) દ્વારા થતા ન્યુમોનિયા સામે રસી વિકસાવવાની પ્રક્રિયામાં એક અવલોકન કર્યું, જે મનુષ્યમાં ન્યુમોનિયા ઉત્પન્ન કરે છે અને સામાન્ય રીતે ઉંદરોમાં ઘાતક હોય છે. તેમણે બેક્ટેરિયમની બે અલગ અલગ પ્રજાતિઓ (વિવિધતાઓ) ઓળખી, એટલે કે રોગકારક (રોગ ઉત્પન્ન કરનારી) જેમાં કોશિકાની આસપાસ પોલિસેકેરાઇડ કેપ્સ્યુલ હોય છે અને અરોગકારક (હાનિરહિત). રોગકારક પ્રજાતિમાં, દરેક બેક્ટેરિયમ પોલિસેકેરાઇડ કેપ્સ્યુલથી ઘેરાયેલું હોય છે જેના કારણે એગર પ્લેટ પર ઉગાડવામાં આવતી બેક્ટેરિયલ કોલોની સરળ દેખાય છે અને તેને સરળ પ્રજાતિ (S) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. અરોગકારક પ્રજાતિમાં પોલિસેકેરાઇડ કોટનો અભાવ હોય છે અને રફ દેખાતી કોલોની ઉત્પન્ન કરે છે અને તેને રફ પ્રજાતિ (R) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. $\mathrm{S}$ પ્રકારના બેક્ટેરિયા ન્યુમોનિયા ઉત્પન્ન કરીને ઉંદરોને મારી નાખે છે.

ગ્રિફિથે $\mathrm{S}$ અને $\mathrm{R}$ પ્રકારના બેક્ટેરિયા સાથે પ્રયોગોની શ્રેણી કરી (ફિગ. 7.1). જ્યારે તેણે સજીવ $\mathrm{S}$ બેક્ટેરિયાને ઉંદરોમાં ઇંજેક્ટ કર્યા, ત્યારે ઉંદરોમાં ન્યુમોનિયા વિકસિત થયો અને તેઓ મૃત્યુ પામ્યા. જો કે, જ્યારે તેણે $\mathrm{R}$ પ્રકારના બેક્ટેરિયા સાથે ઉંદરોને ચેપિત કર્યા ત્યારે ઉંદરોમાં કોઈ ખરાબ અસરો દેખાઈ નહીં. આ બે પ્રયોગોના પરિણામોએ પુષ્ટિ કરી કે $\mathrm{S}$ પ્રકારના બેક્ટેરિયામાં હાજર પોલિસેકેરાઇડ કોટ સ્પષ્ટ રીતે રોગકારકતા માટે જરૂરી હતો.

ફિગ. 7.1: ગ્રિફિથનો રૂપાંતરણ પ્રયોગ

વધુ સમજવા માટે, ગ્રિફિથે કેટલાક રોગકારક $\mathrm{S}$ બેક્ટેરિયાને ઉકાળીને મારી નાખ્યા અને કહેલા ગરમી દ્વારા મારી નાખેલા બેક્ટેરિયાને ઉંદરોમાં ઇંજેક્ટ કર્યા. તેની અપેક્ષા મુજબ, ઉંદરો બચી ગયા. જો કે, એકદમ અનપેક્ષિત રીતે, જ્યારે ગરમી દ્વારા મારી નાખેલા $\mathrm{S}$ બેક્ટેરિયા અને સજીવ $\mathrm{R}$ બેક્ટેરિયાના મિશ્રણને ઇંજેક્ટ કરવામાં આવ્યું ત્યારે ઉંદરો ન્યુમોનિયાને કારણે મૃત્યુ પામ્યા. મૃત ઉંદરોના રક્ત અને પેશી પ્રવાહની તપાસથી સજીવ $\mathrm{S}$ પ્રકારના બેક્ટેરિયાની હાજરી જાણવા મળી. ઉપરોક્ત અવલોકનના આધારે, ગ્રિફિથે નિષ્કર્ષ કાઢ્યો કે R-પ્રજાતિના બેક્ટેરિયાએ ગરમી દ્વારા મારી નાખેલા $S$ બેક્ટેરિયામાંથી તેમણે જેને ‘રૂપાંતરણ સિદ્ધાંત’ કહ્યો તે લેવો જોઈએ, જેણે તેમને ‘રૂપાંતરિત’ થવા અને સરળ-કોટેડ બેક્ટેરિયા બનવા અને રોગકારક બનવા માટે પરવાનગી આપી. તેણે આ ઘટનાને રૂપાંતરણ કહી, જેનો અર્થ એક કોશિકામાંથી બીજી કોશિકામાં આનુવંશિક પદાર્થનું સ્થાનાંતરણ કરવું જે પ્રાપ્તકર્તા કોશિકાની આનુવંશિક રચનાને બદલે છે. પરંતુ રૂપાંતરણ પદાર્થની પ્રકૃતિ હજુ નક્કી કરવાની જરૂર હતી.

7.1.2 રૂપાંતરણ સિદ્ધાંતની બાયોકેમિકલ લાક્ષણિકતા

ત્રણ વૈજ્ઞાનિકો, ઓસ્વાલ્ડ ટી. એવરી, કોલિન મેકલીઓડ અને મેકલિન મેકકાર્ટીએ ગ્રિફિથના રૂપાંતરણ સિદ્ધાંતને ઓળખવા માટે પ્રયોગોની શ્રેણી કરી, અને 1944માં પુષ્ટિ થઈ કે રૂપાંતરણ એજન્ટ DNA છે (ફિગ. 7.2). પ્રયોગના ડિઝાઇનમાં, તેમણે બેક્ટેરિયાની સરળ પ્રજાતિના ત્રણ મુખ્ય ઘટકો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કર્યું, એટલે કે, DNA, RNA અને પ્રોટીન. તેમણે બેક્ટેરિયાની સરળ પ્રજાતિની ગરમી દ્વારા મારી નાખેલી કોશિકાઓનો અર્ક તૈયાર કર્યો જેમાંથી લિપિડ અને કાર્બોહાઇડ્રેટ દૂર કરવામાં આવ્યા હતા. પ્રોટીન, RNA અને DNA ધરાવતા અર્કના બાકીના ઘટકોને અર્કને ત્રણ ભાગોમાં વિભાજીત કરીને આગળના પ્રયોગ માટે રાખવામાં આવ્યા હતા. આ અર્કને અલગ અલગ રીતે રાઇબોન્યુક્લિએઝ (RNase), ડીઓક્સિરાઇબોન્યુક્લિએઝ (DNase) અને પ્રોટીએઝ જેવા હાઇડ્રોલાઇટિક એન્ઝાઇમ્સ સાથે સારવાર આપવામાં આવી, જે અનુક્રમે RNA, DNA અને પ્રોટીનને વિઘટિત કરવા માટે, તેમના રૂપાંતરણ ક્ષમતા માટે, દરેક એન્ઝાઇમ સારવાર પામેલા અર્કને બેક્ટેરિયાની રફ પ્રજાતિની ત્રણ અલગ અલગ સંસ્કૃતિઓમાં સ્થાનાંતરિત કરીને. RNase અને પ્રોટીએઝ સારવાર પામેલા અર્ક ઉમેરવામાં આવ્યા હતા તે કોલોનીઓમાં રફ પ્રજાતિનું સરળ પ્રજાતિમાં રૂપાંતરણ જોવા મળ્યું અને જે કોલોનીમાં DNase સારવાર પામેલો અર્ક ઉમેરવામાં આવ્યો હતો તેમાં નહીં. આ પરિણામોએ શંકા ઉપરાંત સ્થાપિત કર્યું કે તે DNA છે જે સંભવિત રૂપાંતરણ સિદ્ધાંત તરીકે કાર્ય કરે છે.

પૂર્વધારણા: કોશિકાઓનો આનુવંશિક પદાર્થ કાં તો પ્રોટીન અથવા ન્યુક્લિક એસિડ (DNA અથવા RNA) છે

નિષ્કર્ષ: રૂપાંતરણ માટે DNA જરૂરી છે, તેથી તે કોશિકાનો આનુવંશિક પદાર્થ છે

ફિગ. 7.2: રૂપાંતરણ સિદ્ધાંતની પુષ્ટિ

7.1.3 હર્શી - ચેઝ પ્રયોગ

પછીથી, આલ્ફ્રેડ હર્શી અને માર્થા ચેઝ (1952) દ્વારા T2 બેક્ટેરિયોફેજ સાથે કરવામાં આવેલા બીજા પ્રયોગે DNA ને આનુવંશિક પદાર્થ તરીકે તરફેણમાં પુરાવા પૂરા પાડ્યા. વાઇરસ T2 બેક્ટેરિયોફેજ જે ઇશેરીશિયા કોલાઈ બેક્ટેરિયાને ચેપિત કરે છે તેમાં પ્રોટીન કોટથી ઘેરાયેલું DNA હોય છે. જ્યારે તે બેક્ટેરિયલ કોશિકાને ચેપિત કરે છે, ત્યારે તે બાહ્ય સપાટી પર જોડાય છે અને તેના DNA ને કોશિકામાં ઇંજેક્ટ કરે છે. T2 બેક્ટેરિયોફેજ અને E. coli સાથેના તેમના પ્રયોગોની શ્રેણીમાં, હેતુ એ સ્થાપિત કરવાનો હતો કે ફેજ કણોના ગુણાકાર માટે કયો ઘટક જવાબદાર છે, DNA અથવા પ્રોટીન. સરળતાથી ઓળખવા માટે, $\mathrm{T} 2$ બેક્ટેરિયોફેજને શરૂઆતમાં $E$. કોલીની કોલોનીઓ સાથે અલગ અલગ રેડિયોએક્ટિવ ફોસ્ફરસ $\left({ }^{32} \mathrm{P}\right)$ અને રેડિયોએક્ટિવ સલ્ફર $\left({ }^{35} \mathrm{S}\right)$ ધરાવતા માધ્યમમાં ઉગાડવામાં આવ્યા હતા (ફિગ. 7.3). આના કારણે બેક્ટેરિયોફેજના એક સેટને રેડિયોએક્ટિવ ફોસ્ફરસ $\left({ }^{32} \mathrm{P}\right)$ સાથે અને બીજા સેટને રેડિયોએક્ટિવ સલ્ફર $\left({ }^{35} \mathrm{S}\right)$ સાથે લેબલ કરવામાં આવ્યા.

${ }^{35} \mathrm{S}$ અને ${ }^{32} \mathrm{P}$ લેબલ કરેલા $\mathrm{T} 2$ ફેજ હવે અલબેલ કરેલા $E$. કોલી બેક્ટેરિયલ કોલોનીની બે અલગ અલગ સંસ્કૃતિઓમાં ઇનોક્યુલેટ કરવામાં આવ્યા હતા. ચેપ પછી, બેક્ટેરિયલ કોશિકાઓની બાહ્ય સપાટી પરથી કોઈપણ બાકીના ફેજ અને ફેજ ભાગોને દૂર કરવા માટે બેક્ટેરિયલ કોલોનીઓને બ્લેન્ડરમાં હલાવવામાં આવી હતી. પછી બ્લેન્ડરના મિશ્રણને બેક્ટેરિયા (પેલેટમાં હાજર) ને ફેજ અવશેષો (સુપરનેટન્ટમાં હાજર) થી અલગ કરવા માટે સેન્ટ્રીફ્યુજ કરવામાં આવ્યું. બેક્ટેરિયલ સંસ્કૃતિના પેલેટ જે રેડિયોએક્ટિવિટી દર્શાવતા હતા તે રેડિયોએક્ટિવ DNA ધરાવતા ફેજથી ચેપિત હતા, જ્યારે, સુપરનેટન્ટમાં રેડિયોએક્ટિવિટી જોવા મળી હતી જે ${ }^{35} \mathrm{S}$ બેક્ટેરિયોફેજથી ચેપિત હતી. આ સૂચવે છે કે પ્રોટીન ફેજમાંથી બેક્ટેરિયામાં પ્રવેશ્યા ન હતા. તેથી, નિષ્કર્ષ કાઢવામાં આવ્યો કે જે પદાર્થ બેક્ટેરિયલ કોશિકામાં પ્રવેશે છે, એટલે કે, DNA આનુવંશિક પદાર્થ હોઈ શકે છે.

જોકે ઉપરોક્ત પ્રયોગોએ DNA ને આનુવંશિક પદાર્થ તરીકે તરફેણમાં મજબૂત પુરાવા પૂરા પાડ્યા હતા, પરંતુ તે સ્પષ્ટ ન હતું કે DNA અણુ આનુવંશિક માહિતીનો ભંડાર છે. એર્વિન ચાર્ગાફ, મોરિસ વિલ્કિન્સ, રોઝાલિન્ડ ફ્રેન્કલિન, જેમ્સ વોટસન અને ફ્રાન્સિસ ક્રિક દ્વારા કરવામાં આવેલા અનુગામી અભ્યાસોએ DNA ની રચનાની શોધ તરફ દોર્યું, જે સ્પષ્ટ કરે છે કે DNA મોટી માત્રામાં માહિતીને કેવી રીતે એન્કોડ કરી શકે છે (અધ્યાય 3માં વર્ણવેલ).

$\hspace{3.5cm}$બેક્ટેરિયોફેજ

ફિગ. 7.3: હર્શી-ચેઝ પ્રયોગ

7.2 પ્રોકેરિયોટિક અને યુકેરિયોટિક જનીન સંગઠન

તે સારી રીતે સમજાયું છે કે ગુણધર્મો ‘જનીન એકમ’ તરીકે માતાપિતાથી સંતાનોમાં વારસાગત રીતે મળે છે અને કેટલાક વાઇરસ (જ્યાં આનુવંશિક પદાર્થ RNA છે) સિવાય તમામ સજીવોમાં DNA આનુવંશિક પદાર્થ છે. આના કારણે જનીનના સંગઠન વિશે પ્રશ્ન ઉભો થયો, શું આ સંગઠન પ્રોકેરિયોટ્સ તેમજ યુકેરિયોટ્સમાં સમાન છે અને તે આણ્વિક સ્તરે કેવી રીતે કાર્ય કરે છે? જનીન વારસાનો એકમ છે જે ચોક્કસ લક્ષણ અથવા ગુણધર્મને નિયંત્રિત કરે છે અને એલીલ તરીકે ઓળખાતા વૈકલ્પિક સ્વરૂપોમાં પણ વ્યક્ત થઈ શકે છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો જનીન એ DNA નો એક ભાગ છે જે RNA સંશ્લેષણ દ્વારા પોલિપેપ્ટાઇડ સાંકળના સંશ્લેષણ દ્વારા પોતાને વ્યક્ત કરે છે, જેને આણ્વિક જીવવિજ્ઞાનનો ‘કેન્દ્રિય સિદ્ધાંત’ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

શરૂઆતમાં એ સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું હતું કે લક્ષણો અથવા ગુણધર્મો 1900માં મેન્ડેલના વારસાના સિદ્ધાંતની પુનઃશોધના આધારે જનીન દ્વારા નિયંત્રિત હોય છે, અને વનસ્પતિઓ અને પ્રાણીઓ બંનેમાં અનુગામી સંશોધનોની શ્રેણીએ એ હકીકત સ્થાપિત કરી કે લક્ષણો અથવા ગુણધર્મો કેટલાક આંતરિક સિદ્ધાંત દ્વારા નિયંત્રિત અને નિયંત્રિત હોય છે જે એક પેઢીથી બીજી પેઢીમાં પસાર થાય છે. લક્ષણો અથવા ગુણધર્મોને નિયંત્રિત કરતા પરિબળ અથવા આંતરિક એકમને પછીથી 1909માં વિલ્હેલ્મ જોહાનસેન દ્વારા ‘જનીન’ નામ આપવામાં આવ્યું.

જનીનની પ્રકૃતિ અને કાર્યને સમજવું વીસમી સદીની શરૂઆતમાં વૈજ્ઞાનિક સમુદાયનું એક મુખ્ય ધ્યાન હતું. 1930ના દાયકા દરમિયાન જ્યોર્જ બીડલ અને એડવર્ડ ટેટમનું મોલ્ડ ન્યુરોસ્પોરા ક્રાસા પરનું કાર્ય એક એન્ઝાઇમના સંશ્લેષણને નિયંત્રિત કરવા માટે જનીનના સંબંધને સ્થાપિત કરવામાં મદદ કરી.

મોલ્ડ ન્યુરોસ્પોરા ક્રાસાની એ મિલકત ધ્યાનમાં લેતા કે તે સરળ ખાંડ, અકાર્બનિક ક્ષાર અને વિટામિન બાયોટિન ધરાવતા માધ્યમ પર ખૂબ જ સરળતાથી ઉગાડી શકાય છે, બીડલ અને ટેટમે એ ધારણા પર પ્રયોગ કર્યો કે સજીવ અન્ય આવશ્યક એમિનો એસિડ અને નાઇટ્રોજનસ બેઝનું સંશ્લેષણ પોતાના દ્વારા કરી શકે છે (ફિગ. 7.4). એ સ્પષ્ટ ગણવામાં આવ્યું હતું કે સંશ્લેષણ એન્ઝાઇમ્સ દ્વારા મધ્યસ્થી કરવામાં આવે છે, જે આનુવંશિક નિયંત્રણ હેઠળ સંશ્લેષિત થાય છે. પ્રયોગની ડિઝાઇન ખૂબ જ સરળ હતી જેમાં કોનિડિયા, એટલે કે, અલિંગી સ્પોરને મ્યુટેશનને પ્રેરિત કરવા માટે X-કિરણો સાથે વિકિરણિત કરવામાં આવ્યા હતા (ફિગ. 7.4). વિકિરણિત સ્પોર દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલા સંતતિને કેટલાક ચોક્કસ ન્યૂનતમ માધ્યમ પર ઉગાડીને ઓળખવામાં આવ્યા હતા. મ્યુટેશન સાથેની પ્રજાતિઓને ઓળખવાના હેતુ માટે, વિકિરણિત સ્પોરના સંતતિને જંગલી પ્રકાર સાથે ક્રોસ કરવામાં આવ્યા હતા અને અનુગામી સંતતિને કાં તો ચોક્કસ એમિનો એસિડ અથવા વિટામિન (સંસ્કૃતિ માધ્યમ જેમાં ચોક્કસ વિટામિન અથવા એમિનો એસિડ સિવાય તમામ એમિનો એસિડ, નાઇટ્રોજનસ બેઝ અને વિટામિન હોય છે) માટે ન્યૂનતમ માધ્યમ પર ઉગાડીને ઓળખેલી મ્યુટન્ટ પ્રજાતિઓ. તેમના દ્વારા આવી ઘણી મ્યુટેશન્સ ઓળખવામાં આવી હતી અને તે આનુવંશિક રીતે સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું હતું કે દરેક મ્યુટેશન, હકીકતમાં, ચોક્કસ એન્ઝાઇમના બિન-કાર્યનું પરિણામ છે.

ફિગ. 7.4: ન્યુરોસ્પોરામાં મ્યુટેશનની શોધ દર્શાવતો પ્રયોગ

પછીથી, એવું અવલોકન કરવામાં આવ્યું કે બધા પ્રોટીન એક પોલિપેપ્ટાઇડથી બનેલા નથી પરંતુ એક કરતાં વધુ પોલિપેપ્ટાઇડ સાંકળથી બનેલા છે. એ હકીકત કે એક જનીન એક પોલિપેપ્ટાઇડને એન્કોડ કરે છે; કેન્દ્રિય સિદ્ધાંત પણ એક જનીન એક પ્રોટીનથી, એક જનીન એક પોલિપેપ્ટાઇડમાં સુધારવામાં આવ્યો હતો.

લગભગ એક સાથે 1940 ના દાયકાની શરૂઆતમાં, ક્રોમેટિન ફાઇબરના સાયટોલોજિકલ તપાસોએ ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી દ્વારા કંઈક સ્ટ્રિંગ પર મણકા જેવી રચના (ફિગ.