Pielietotā molekulārās bioloģijas vērtība. Lietišķā molekulārā bioloģija

Molekulārā bioloģija ir piedzīvojusi savu pētījumu metožu straujas attīstības periodu, kas tagad to atšķir no bioķīmijas. Tie jo īpaši ietver gēnu inženierijas, klonēšanas, mākslīgās ekspresijas un gēnu izslēgšanas metodes. Tā kā DNS ir materiāls ģenētiskās informācijas nesējs, molekulārā bioloģija tas kļuva daudz tuvāks ģenētikai, un krustojumā izveidojās molekulārā ģenētika, kas ir gan ģenētikas, gan molekulārās bioloģijas nozare. Tāpat kā molekulārā bioloģija plaši izmanto vīrusus kā pētījumu instrumentu, virusoloģijā viņu problēmu risināšanai tiek izmantotas molekulārās bioloģijas metodes. Datortehnoloģija ir iesaistīta ģenētiskās informācijas analīzē, saistībā ar kuru ir parādījušies jauni molekulārās ģenētikas virzieni, kurus dažreiz uzskata par īpašām disciplīnām: bioinformātiku, genomiku un proteomiku.

Attīstības vēsture

Šo fundamentālo atklājumu sagatavoja ilgs vīrusu un baktēriju ģenētikas un bioķīmijas pētījumu posms.

1928. gadā Frederiks Grifits pirmo reizi parādīja, ka ekstrakts no tiem, kas nogalināti karsējot patogēnās baktērijas var nodot patogenitātes pazīmi nebīstamām baktērijām. Baktēriju transformācijas izpēte vēl vairāk noveda pie patogēnā līdzekļa attīrīšanas, kas, pretēji gaidītajam, izrādījās nevis olbaltumviela, bet gan nukleīnskābe. Pati par sevi nukleīnskābe nav bīstama, tajā ir tikai gēni, kas nosaka mikroorganisma patogenitāti un citas īpašības.

XX gadsimta 50. gados tika parādīts, ka baktērijām ir primitīvs dzimumprocess, tās spēj apmainīties ar ekstrahromosomu DNS, plazmīdām. Plazmīdu atklāšana, tāpat kā transformācija, veidoja pamatu plazmīdu tehnoloģijai, kas plaši izplatīta molekulārajā bioloģijā. Vēl viens metodoloģijai svarīgs atklājums bija baktēriju vīrusu un bakteriofāgu atklāšana 20. gadsimta sākumā. Fāgi var arī pārnest ģenētisko materiālu no vienas baktēriju šūnas uz otru. Baktēriju inficēšana ar fāgiem izraisa baktēriju RNS sastāva izmaiņas. Ja bez fāgiem RNS sastāvs ir līdzīgs baktēriju DNS sastāvam, tad pēc inficēšanās RNS kļūst līdzīgāka bakteriofāga DNS. Tādējādi tika konstatēts, ka RNS struktūru nosaka DNS struktūra. Savukārt olbaltumvielu sintēzes ātrums šūnās ir atkarīgs no RNS-olbaltumvielu kompleksu daudzuma. Tātad tas tika formulēts centrālā molekulārās bioloģijas dogma: DNS ↔ RNS → olbaltumviela.

Tālāku molekulārās bioloģijas attīstību papildināja gan tās metodoloģijas izstrāde, it īpaši DNS nukleotīdu secības noteikšanas metodes izgudrošana (W. Gilbert un F. Senger, Nobela prēmija ķīmijā, 1980), gan jauni atklājumi gēnu struktūras un darbības pētījumu jomā (sk. Ģenētikas vēsture). Līdz 21. gadsimta sākumam tika iegūti dati par visu cilvēka DNS primāro struktūru un vairākiem citiem organismam, kas ir vissvarīgākie medicīnai, lauksaimniecībai un zinātniskajiem pētījumiem, kā rezultātā bioloģijā parādījās vairāki jauni virzieni: genomika, bioinformātika utt.

Skatīt arī

• Molekulārā bioloģija (žurnāls)
• Transkriptomika
• Molekulārā paleontoloģija
• EMBO - Eiropas organizācija molekulārie biologi

Literatūra

• Dziedātājs M., Bergs P. Gēni un genomi. - Maskava, 1998. gads.
• Stents G., Kalindars R. Molekulārā ģenētika. - Maskava, 1981. gads.
• Sambrook J., Fritsch E. F., Maniatis T. Molekulārā klonēšana. - 1989. gads.
• Patruševs L. I. Gēnu izpausme. - M.: Nauka, 2000. - 000 lpp., Il. ISBN 5-02-001890-2

Saites

Wikimedia Foundation. 2010. gads.

• Ņižņijnovgorodas apgabala Ardatovska rajons
• Ņižņijnovgorodas apgabala Arzamas apgabals

Skatiet, kas ir "molekulārā bioloģija" citās vārdnīcās:

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA - pēta DOS. dzīves īpašības un izpausmes molekulārais līmenis... Svarīgākie virzieni M. b. ir pētījumi par šūnu ģenētiskā aparāta strukturālo un funkcionālo organizāciju un iedzimtas informācijas realizācijas mehānismu ... Bioloģiskā enciklopēdiskā vārdnīca

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA - pēta dzīves pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Noskaidro, kā un cik lielā mērā organismu augšana un attīstība, iedzimtas informācijas uzglabāšana un pārnešana, enerģijas pārveidošana dzīvās šūnās utt. Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA Mūsdienu enciklopēdija

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA - MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA, bioloģiskais pētījums par dzīvajiem organismiem veidoto MOLEKULU struktūru un darbību. Galvenās studiju jomas ir fiziskās un Ķīmiskās īpašības olbaltumvielas un nukleīnskābes, piemēram, DNS. Skatīt arī… … Zinātniski tehniskā enciklopēdiskā vārdnīca

molekulārā bioloģija - sadaļa biol., kas pēta dzīves pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Uzzina, kā un cik lielā mērā organismu augšana un attīstība, iedzimtas informācijas uzglabāšana un pārnešana, enerģijas pārveidošana dzīvajās šūnās un ... ... Mikrobioloģijas vārdnīca

molekulārā bioloģija - - Biotehnoloģijas tēmas EN molekulārā bioloģija ... Tehniskā tulka rokasgrāmata

Molekulārā bioloģija - MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA, pēta dzīves pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Uzzina, kā un cik lielā mērā organismu augšana un attīstība, iedzimtas informācijas uzglabāšana un pārnešana, enerģijas pārveidošana dzīvajās šūnās un ... ... Ilustrēta enciklopēdiska vārdnīca

Molekulārā bioloģija - zinātne, kas par savu uzdevumu izvirza zināšanas par vitālās aktivitātes parādību būtību, pētot bioloģiskos objektus un sistēmas līmenī, kas tuvojas molekulārajam līmenim un dažos gadījumos pat sasniedz šo robežu. Galīgais mērķis šajā ... ... Lielā padomju enciklopēdija

MOLEKULĀRĀ BIOLOĢIJA - pēta dzīves parādības makromolekulu (hl.obr. olbaltumvielu un nukleīnskābju) līmenī šūnu struktūrasah (ribosomas utt.), vīrusos, kā arī šūnās. M. mērķis. nosakot šo makromolekulu lomu un darbības mehānismu, pamatojoties uz ... Ķīmiskā enciklopēdija

molekulārā bioloģija - pēta dzīves pamatīpašības un izpausmes molekulārā līmenī. Uzzina, kā un cik lielā mērā organismu augšana un attīstība, iedzimtas informācijas uzglabāšana un pārnešana, enerģijas pārveidošana dzīvās šūnās un citas parādības ... ... enciklopēdiska vārdnīca

Grāmatas

• Molekulāro šūnu bioloģija. Problēmu kolekcija, J. Vilsons, T. Hants. Amerikāņu autoru grāmata ir pielikums B. Alberta, D. Bray, J. Lewis un citu mācību grāmatas "Šūnas molekulārā bioloģija" 2. izdevumam. Satur jautājumus un uzdevumus, kuru mērķis ir padziļināt ...

31.2

Draugiem!

atsauce

Molekulārā bioloģija izauga no bioķīmijas 1953. gada aprīlī. Tās izskats ir saistīts ar James Watson un Francis Crick vārdiem, kuri atklāja DNS molekulas struktūru. Atklāšana bija iespējama, pētot ģenētiku, baktērijas un vīrusu bioķīmiju. Molekulārā biologa profesija nav plaši izplatīta, taču šodien tās loma mūsdienu sabiedrībā ir ļoti liela. Liels skaits slimību, ieskaitot tās, kas izpaužas ģenētiskā līmenī, prasa zinātniekiem meklēt risinājumus šai problēmai.

Darbību apraksts

Vīrusi un baktērijas pastāvīgi mutē, kas nozīmē, ka medikamenti pārtrauc palīdzēt cilvēkam un slimības kļūst neatrisināmas. Molekulārās bioloģijas uzdevums ir panākt šo procesu un izstrādāt jaunu līdzekli pret slimībām. Zinātnieki strādā pēc vispāratzītas shēmas: bloķē slimības cēloni, novērš iedzimtības mehānismus un tādējādi atvieglo pacienta stāvokli. Pasaulē ir vairāki centri, klīnikas un slimnīcas, kur molekulārie biologi izstrādā jaunas ārstēšanas metodes, lai palīdzētu pacientiem.

Darba pienākumi

Molekulārā biologa pienākumos ietilpst pētīt procesus šūnā (piemēram, DNS izmaiņas audzēju attīstības laikā). Tāpat eksperti pēta DNS pazīmes, to ietekmi uz visu organismu un atsevišķu šūnu. Šādi pētījumi tiek veikti, piemēram, pamatojoties uz PCR (polimerāzes ķēdes reakcija), kas ļauj analizēt ķermeņa infekcijas, iedzimtas slimības un noteikt bioloģisko saistību.

Karjeras izaugsmes iezīmes

Molekulārā biologa profesija ir diezgan daudzsološa savā jomā un šodien apgalvo, ka ir pirmā nākotnes medicīnas profesiju reitingā. Starp citu, molekulārajam biologam nav jāuzturas šajā jomā visu laiku. Ja ir vēlme mainīt profesiju, viņš var pārkvalificēties par laboratorijas aprīkojuma pārdošanas vadītājiem, sākt izstrādāt ierīces dažādiem pētījumiem vai atvērt savu biznesu.

Molekulārā bioloģija

zinātne, kas par savu uzdevumu izvirza dzīves parādību rakstura izzināšanu, pētot bioloģiskos objektus un sistēmas līmenī, kas tuvojas molekulārajam līmenim, un dažos gadījumos pat sasniedz šo robežu. Galīgais mērķis šajā gadījumā ir noskaidrot, kā un cik lielā mērā dzīves raksturīgās izpausmes, piemēram, iedzimtība, sava veida atražošana, olbaltumvielu biosintēze, uzbudināmība, izaugsme un attīstība, informācijas uzglabāšana un nodošana, enerģijas pārveidošana, mobilitāte utt. , ir saistītas ar bioloģiski svarīgu vielu molekulu struktūru, īpašībām un mijiedarbību, galvenokārt divām galvenajām augstas molekulmasas biopolimēru klasēm (sk. Biopolimēri) - olbaltumvielas un nukleīnskābes. Atšķirīga iezīme M. b. - dzīvības parādību izpēte uz nedzīviem priekšmetiem vai tiem, kas raksturīgi primitīvākajām dzīves izpausmēm. Tie ir bioloģiski veidojumi no šūnu līmeņa un zemāk: subcellulāri organelli, piemēram, izolēti šūnu kodoli, mitohondriji, ribosomas, hromosomas, šūnu membrānas; tālāk - sistēmas, kas stāv uz dzīves robežas un nedzīvā daba, - vīrusi, ieskaitot bakteriofāgus, un beidzot ar dzīvās vielas vissvarīgāko komponentu molekulām - nukleīnskābēm (sk. Nukleīnskābes) un olbaltumvielām (sk. Olbaltumvielas).

M. dz. - jauna dabaszinātņu joma, cieši saistīta ar sen iedibinātām pētniecības jomām, kuras aptver bioķīmija (sk. Bioķīmija), biofizika (sk. Biofizika) un bioorganiskā ķīmija (sk. Bioorganiskā ķīmija). Atšķirība šeit ir iespējama, tikai ņemot vērā izmantotās metodes un izmantoto pieeju būtību.

Pamatu, uz kura M. b. Attīstījās, lika tādas zinātnes kā ģenētika, bioķīmija, elementāru procesu fizioloģija utt. Saskaņā ar viņa attīstības izcelsmi M. b. ir nesaraujami saistīts ar molekulāro ģenētiku (sk. Molekulārā ģenētika) , kas joprojām ir nozīmīga M. b. daļa, kaut arī jau lielā mērā ir izveidojusies par neatkarīgu disciplīnu. M. izolācija. no bioķīmijas nosaka šādi apsvērumi. Bioķīmijas uzdevumi galvenokārt aprobežojas ar dažu dalībnieku paziņošanu ķīmiskās vielas ar noteiktām bioloģiskām funkcijām un procesiem un noskaidrojot to pārveidošanās raksturu; vadošā loma ir informācijai par reaktivitāti un galvenajām iezīmēm ķīmiskā struktūraizteikts ar parasto ķīmisko formulu. Tādējādi būtībā uzmanība tiek koncentrēta uz transformācijām, kas ietekmē galveno valenci ķīmiskās saites... Tikmēr, kā uzsvēra L. Paulings , plkst bioloģiskās sistēmas un vitālās aktivitātes izpausmēm, galvenā nozīme jāpiešķir nevis galvenajām valences saitēm, kas darbojas vienā molekulā, bet gan dažādu veidu saitēm, kas izraisa starpmolekulāru mijiedarbību (elektrostatiskās, van der Vālsa, ūdeņraža saites utt.).

Bioķīmisko pētījumu gala rezultātu var uzrādīt vienas vai otras sistēmas formā ķīmiskie vienādojumi, ko parasti pilnībā izsmēlina viņu attēls plaknē, tas ir, divās dimensijās. Atšķirīga iezīme M. dz. ir tā trīsdimensiju. M. būtība. M. Perucs to redz, interpretējot bioloģiskās funkcijas molekulārās struktūras ziņā. Mēs varam teikt, ka, ja iepriekš, pētot bioloģiskos objektus, bija jāatbild uz jautājumu "kas", tas ir, kādas vielas atrodas, un uz jautājumu "kur" - kādos audos un orgānos, tad M. b. izvirza savu uzdevumu iegūt atbildes uz jautājumu "kā", uzzinot visas molekulas struktūras lomas un līdzdalības būtību, un uz jautājumiem "kāpēc" un "kāpēc", no vienas puses, noskaidrojot saikni starp molekulas īpašībām (atkal, galvenokārt, olbaltumvielām un nukleīnskābes) un tās veiktās funkcijas, un, no otras puses, šādu individuālo funkciju loma vispārējā vitālās aktivitātes izpausmju kompleksā.

Izšķirošā loma ir savstarpēja vienošanās atomi un to grupējumi makromolekulas vispārējā struktūrā, to telpiskās attiecības. Tas attiecas gan uz atsevišķiem, individuāliem komponentiem, gan uz molekulas vispārējo konfigurāciju kopumā. Stingri noteiktas tilpuma struktūras parādīšanās rezultātā biopolimēra molekulas iegūst īpašības, kuru dēļ tās var kalpot par bioloģisko funkciju materiālo pamatu. Šis pieejas princips dzīvu lietu izpētei ir raksturīgākā, tipiskākā M. b.

Vēsturiskā atsauce. I. P. Pavlovs paredzēja bioloģisko problēmu izpētes milzīgo nozīmi molekulārā līmenī , kurš runāja par pēdējo dzīves zinātnes soli - dzīvas molekulas fizioloģiju. Pats termins “M. b. " pirmo reizi tika izmantots angļu valodā. zinātnieki W. Astbury pētījumos, kas saistīti ar fibrilāru (šķiedru) olbaltumvielu, piemēram, kolagēna, asins fibrīna vai muskuļu saraušanās olbaltumvielu, molekulārās struktūras un fizikālo un bioloģisko īpašību attiecības noskaidrošanu. Termins “M. b. " tērauds no 50. gadu sākuma. 20. gadsimts

M. parādīšanās. kā vispāratzītu zinātni ir ierasts atsaukties uz 1953. gadu, kad J. Vatsons un F. Kriks Kembridžā (Lielbritānija) atklāja dezoksiribonukleīnskābes (sk. dezoksiribonukleīnskābi) (DNS) trīsdimensiju struktūru. Tas ļāva mums runāt par to, kā šīs struktūras detaļas nosaka DNS kā mantotas informācijas materiāla nesēja bioloģiskās funkcijas. Principā šī DNS loma kļuva zināma nedaudz agrāk (1944. gadā) amerikāņu ģenētiķa OT Eiverija un viņa kolēģu darba rezultātā (sk. Molekulārā ģenētika), taču nebija zināms, cik lielā mērā šī funkcija ir atkarīga no DNS molekulārās struktūras. Tas kļuva iespējams tikai pēc tam, kad W. L. Bragg (sk. Braga-Volfa nosacījums), J. Bernal un citu laboratorijās tika izstrādāti jauni rentgena strukturālās analīzes principi, kas nodrošināja šīs metodes izmantošanu detalizētām zināšanām par olbaltumvielu makromolekulu un nukleīnskābes.

Molekulārās organizācijas līmeņi. 1957. gadā J. Kendrū izveidoja mioglobīna trīsdimensiju struktūru a , un turpmākajos gados to darīja M. Perucs saistībā ar hemoglobīnu a. Tika formulēti dažādu līmeņu makromolekulu telpiskās organizācijas jēdzieni. Primārā struktūra ir atsevišķu vienību (monomēru) secība iegūtās polimēra molekulas ķēdē. Olbaltumvielām monomēri ir aminoskābes , nukleīnskābēm - nukleotīdi. Lineārai, pavedienveida biopolimēra molekulai ūdeņraža saišu rašanās rezultātā ir iespēja noteiktā veidā iekļauties telpā, piemēram, olbaltumvielu gadījumā, kā parādīja L. Paulings, iegūst spirāles formu. To sauc par sekundāru struktūru. Tiek teikts, ka terciārā struktūra ir tad, kad molekula ar sekundāru struktūru vienā vai otrā veidā salocās tālāk, aizpildot trīsdimensiju telpu. Visbeidzot, molekulas ar trīsdimensiju struktūru var mijiedarboties, regulāri izvietotas telpā viena pret otru un veidojot to, kas apzīmēts kā kvartāra struktūra; tās atsevišķās sastāvdaļas parasti sauc par apakšvienībām.

Acīmredzamākais piemērs tam, kā trīsdimensiju molekulārā struktūra nosaka molekulas bioloģiskās funkcijas, ir DNS. Tam ir dubultās spirāles struktūra: divi pavedieni, kas darbojas savstarpēji pretējā virzienā (pretparalēli), ir savīti ap otru, veidojot dubultu spirāli ar savstarpēji papildinošu pamatu izvietojumu, t.i., tā, lai pretī noteiktai vienas ķēdes pamatnei vienmēr būtu tāda bāze, kas vislabāk nodrošina ūdeņraža saišu veidošanos: adepīns (A) veido pāri ar timīnu (T), guanīnu (G) - ar citozīnu (C). Šī struktūra rada optimālus apstākļus vissvarīgākajām DNS bioloģiskajām funkcijām: iedzimtas informācijas kvantitatīvai pavairošanai šūnu dalīšanās procesā, vienlaikus saglabājot šīs ģenētiskās informācijas plūsmas kvalitatīvo nemainīgumu. Šūnai sadaloties, DNS dubultās spirāles, kas kalpo kā šablons vai šablons, pavedieni tiek atritināti un uz katra no tiem fermentu iedarbībā tiek sintezēta jauna komplementāra virkne. Tā rezultātā no vienas vecākas DNS molekulas tiek iegūtas divas tai pilnīgi identiskas meitas molekulas (skat. Cell, Mitosis).

Tāpat arī hemoglobīna gadījumā izrādījās, ka tā bioloģiskā funkcija - spēja atgriezeniski piesaistīt skābekli plaušās un pēc tam dot to audiem - ir cieši saistīta ar hemoglobīna trīsdimensiju struktūras iezīmēm un izmaiņām tās fizioloģiskās lomas īstenošanas procesā. O2 saistīšanās un disociācijas laikā notiek telpiskas izmaiņas hemoglobīna molekulas konformācijā, kā rezultātā mainās tajā esošo dzelzs atomu afinitāte pret skābekli. Hemoglobīna molekulas lieluma izmaiņas, kas atgādina izmaiņas krūtīs tilpumā elpošanas laikā, ļāva hemoglobīnu saukt par "molekulārajām plaušām".

Viena no vissvarīgākajām dzīvo objektu iezīmēm ir to spēja smalki regulēt visas dzīves izpausmes. Galvenais M. b. zinātniskie atklājumi jāuzskata par jauna, iepriekš nezināma regulatīvā mehānisma atklāšanu, kas apzīmēts kā alosterisks efekts. Tas slēpjas zemas molekulmasas vielu - t.s. ligandi - modificēt makromolekulu specifiskās bioloģiskās funkcijas, galvenokārt katalītiski darbojošos proteīnus - enzīmus, hemoglobīnu, receptoru proteīnus, kas iesaistīti bioloģisko membrānu veidošanā (sk. Bioloģiskās membrānas), sinaptiskajā transmisijā (sk. Sinapses) utt.

Trīs biotiskas plūsmas.Ņemot vērā M. pārstāvības. dzīves parādību kopumu var uzskatīt par trīs plūsmu kombinācijas rezultātu: matērijas plūsma, kas izpaužas vielmaiņas parādībās, ti, asimilācijā un disimilācijā; enerģijas plūsma, kas ir visu dzīves izpausmju virzītājspēks; un informācijas plūsma, kas caurstrāvo ne tikai visu katra organisma attīstības un pastāvēšanas dažādību, bet arī nepārtrauktu secīgu paaudžu virkni. Tieši informācijas plūsmas ideja, ko medicīnas pasaules attīstībā ieviesa dzīvās pasaules mācībā, atstāj tajā savu specifisko, unikālo nospiedumu.

Galvenie sasniegumi molekulārajā bioloģijā. M. b. Ātrums, apjoms un ietekmes dziļums. panākumi dzīvās dabas izpētes pamatproblēmu izpratnē tiek pareizi salīdzināti, piemēram, ar kvantu teorijas ietekmi uz atomu fizikas attīstību. Divi iekšēji saistīti apstākļi definēja šo revolucionāro ietekmi. No vienas puses, izšķiroša loma bija tam, ka tika atklāta iespēja izpētīt vissvarīgākās vitālās aktivitātes izpausmes visvienkāršākajos apstākļos, tuvojoties ķīmisko un fizikālo eksperimentu veidam. No otras puses, šī apstākļa rezultātā bioloģisko problēmu attīstībā strauji iesaistījās ievērojams skaits eksakto zinātņu pārstāvju - fiziķu, ķīmiķu, kristalogrāfu un pēc tam matemātiķu. Šie apstākļi kopumā noteica neparasti ātro medicīnas zinātnes attīstības tempu, tikai divos gadu desmitos sasniegto panākumu skaitu un nozīmi. Šeit ir tālu no pilnīga šo sasniegumu saraksta: DNS, visu veidu RNS un ribosomu bioloģiskās funkcijas struktūras un mehānisma atklāšana (sk. Ribosomas) , ģenētiskā koda atklāšana (skatīt ģenētisko kodu) ; reversās transkripcijas atvēršana (sk. Transkripcija) , i., DNS sintēze uz RNS šablona; elpošanas pigmentu darbības mehānismu izpēte; trīsdimensiju struktūras atklāšana un tās funkcionālā loma enzīmu darbībā (sk. Enzīmi) , matricas sintēzes princips un olbaltumvielu biosintēzes mehānismi; vīrusu struktūras (sk. Vīrusi) un to replikācijas mehānismu atklāšana, primārā un daļēji antivielu telpiskā struktūra; atsevišķu gēnu izolēšana , ķīmiskā un pēc tam bioloģiskā (fermentatīvā) gēna, ieskaitot cilvēku, sintēze ārpus šūnas (in vitro); gēnu pārnešana no viena organisma uz citu, arī cilvēka šūnās; strauji progresējoša arvien vairāku atsevišķu olbaltumvielu, galvenokārt enzīmu, kā arī nukleīnskābju ķīmiskās struktūras atšifrēšana; dažu pieaugošas sarežģītības pakāpes bioloģisko objektu "pašsavienošanās" parādību noteikšana, sākot no nukleīnskābes molekulām un pārejot uz daudzkomponentu enzīmiem, vīrusiem, ribosomām utt. alosterisko un citu bioloģisko funkciju un procesu regulēšanas pamatprincipu noskaidrošana.

Redukcionisms un integrācija. M. dz. ir pēdējais posms dzīvo objektu izpētes virzienā, kas tiek apzīmēts kā "redukcionisms", ti, vēlme samazināt sarežģītas vitālās funkcijas līdz parādībām, kas notiek molekulu līmenī un tāpēc ir pieejamas pētījumiem ar fizikas un ķīmijas metodēm. Sasniedzis M. b. panākumi apliecina šīs pieejas efektivitāti. Tajā pašā laikā jāpatur prātā, ka dabiskos apstākļos šūnā, audos, orgānos un visā organismā mums ir darīšana ar arvien sarežģītākām sistēmām. Šādas sistēmas tiek veidotas no vairākiem komponentiem zems līmenis izmantojot dabisku integrāciju integritātē, iegūstot strukturālu un funkcionālu organizāciju un piemīt jaunas īpašības. Tāpēc, kad zināšanas par modeļiem, kas pieejami atklāšanai molekulārajā un blakus esošajā līmenī, kļūst detalizētākas, pirms M. b. rodas integrācijas mehānismu kā turpmākās attīstības līnijas izpratnes uzdevumi, pētot dzīves parādības. Sākumpunkts ir starpmolekulāro mijiedarbības spēku izpēte - ūdeņraža saites, van der Vālsa, elektrostatiskie spēki utt. Ar kopumu un telpisko izvietojumu tie veido to, ko var saukt par "integratīvo informāciju". Tas jāuzskata par vienu no galvenajām jau minētās informācijas plūsmas daļām. Teritorijā M. b. integrācijas piemēri ir sarežģītu veidojumu pašsavienošanās parādības no to sastāvdaļu sajaukuma. Tas ietver, piemēram, daudzkomponentu olbaltumvielu veidošanos no to apakšvienībām, vīrusu veidošanos no to sastāvdaļām - olbaltumvielām un nukleīnskābēm, ribosomu sākotnējās struktūras atjaunošanu pēc olbaltumvielu un nukleīno komponentu atdalīšanas utt. Šo parādību izpēte ir tieši saistīta ar zināšanām par galvenajām parādībām " biopolimēru molekulu atpazīšana. Punkts ir noskaidrot, kādas aminoskābju kombinācijas - olbaltumvielu vai nukleotīdu molekulās - nukleīnskābēs savstarpēji mijiedarbojas atsevišķu molekulu asociācijas procesos ar stingri specifiska, iepriekš noteikta sastāva un struktūras kompleksu veidošanos. Tas ietver sarežģītu olbaltumvielu veidošanos no to apakšvienībām; turklāt selektīva mijiedarbība starp nukleīnskābes molekulām, piemēram, transportu un šablonu (šajā gadījumā ģenētiskā koda atklāšana ir ievērojami paplašinājusi mūsu informāciju); visbeidzot, tas ir daudzu veidu struktūru veidošanās (piemēram, ribosomas, vīrusi, hromosomas), kurās piedalās gan olbaltumvielas, gan nukleīnskābes. Atbilstošo likumsakarību atklāšana, "valodas" izziņa, kas ir šīs mijiedarbības pamatā, ir viena no vissvarīgākajām matemātiskās bioloģijas jomām, kas joprojām gaida tās attīstību. Šī teritorija tiek uzskatīta par vienu no pamatproblēmām visai biosfērai.

Molekulārās bioloģijas problēmas. Kopā ar norādītajiem svarīgajiem M. b. (zināšanas par "atpazīšanas", pašsapulcēšanās un integrācijas modeļiem) neatliekams zinātniskās meklēšanas virziens tuvākajā nākotnē ir tādu metožu izstrāde, kas ļauj dekodēt struktūru, un pēc tam trīsdimensiju, telpiskā organizācija ar lielu molekulmasu nukleīnskābēm. Pašlaik tas ir sasniegts attiecībā uz vispārējais plāns DNS trīsdimensiju struktūra (dubultā spirāle), taču precīzi nezinot tās primāro struktūru. Strauja attīstība analītiskās metodes ļaujiet mums droši gaidīt šo mērķu sasniegšanu nākamajos gados. Protams, šeit galveno ieguldījumu sniedz saistīti zinātnes pārstāvji, galvenokārt fizika un ķīmija. Visas svarīgākās metodes, kuru izmantošana nodrošināja medicīnas zinātnes rašanos un panākumus, ieteica un izstrādāja fiziķi (ultracentrifugācija, rentgena strukturālā analīze, elektronu mikroskopija, kodolmagnētiskā rezonanse utt.). Gandrīz visas jaunās fiziskās eksperimentālās pieejas (piemēram, datoru izmantošana, sinhrotrona vai bremstrahlung starojums, lāzera tehnoloģija utt.) Paver jaunas iespējas padziļināts pētījums problēmas M. b. Starp svarīgākajiem praktiskajiem uzdevumiem, uz kuriem atbildi gaida no M. b., Pirmkārt, ir ļaundabīgā augšanas molekulārā pamata problēma, pēc tam - iedzimtu slimību - "molekulāro slimību" - novēršanas un varbūt pārvarēšanas veidi (sk. Molekulārās slimības. ). Liela nozīme būs bioloģiskās katalīzes molekulārā pamata, tas ir, fermentu darbības, noskaidrošanai. Starp svarīgākajiem mūsdienu virzieniem M. b. jāiekļauj vēlme atšifrēt hormonu darbības mehāniskos mehānismus (sk. Hormoni) , toksiskas un ārstnieciskas vielas, kā arī uzzināt sīkāku informāciju par tādu šūnu struktūru molekulāro struktūru un darbību bioloģiskās membrānaspiedaloties vielu iekļūšanas un transportēšanas procesu regulēšanā. Tālāki mērķi M. b. - nervu procesu, atmiņas mehānismu rakstura izziņa (sk. Atmiņa) utt. Viena no svarīgākajām M. b. - tā sauktais. gēnu inženierija, kas par savu uzdevumu izvirza mērķtiecīgu dzīvo organismu ģenētiskā aparāta (genoma) darbību, sākot ar mikrobiem un zemākiem (vienšūņu) un beidzot ar cilvēkiem (pēdējā gadījumā, galvenokārt, lai radikāli ārstētu iedzimtas slimības (sk. Iedzimtas slimības) un koriģētu ģenētiskos defektus. ). Plašāku iejaukšanos cilvēka ģenētiskajā pamatā var apspriest tikai vairāk vai mazāk tālā nākotnē, jo šajā gadījumā rodas nopietni gan tehniska, gan fundamentāla rakstura šķēršļi. Attiecībā uz mikrobiem, augiem un, iespējams, lauksaimniecības kultūrām. Dzīvniekiem šādas perspektīvas ir ļoti daudzsološas (piemēram, iegūt kultivētu augu šķirnes, kurām ir aparāts slāpekļa piesaistīšanai no gaisa un kuriem nav nepieciešami mēslojumi). Tie balstās uz jau sasniegtajiem panākumiem: gēnu izolēšana un sintezēšana, gēnu pārnešana no viena organisma uz otru, izmantojot populāras kultūras šūnas kā ekonomiski vai medicīniski svarīgu vielu ražotāji.

Pētījumu organizēšana molekulārajā bioloģijā. M. straujā attīstība. radīja lielu skaitu specializētu pētniecības centru. Viņu skaits strauji pieaug. Lielākais: Lielbritānijā - Molekulārās bioloģijas laboratorija Kembridžā, Karaliskais institūts Londonā; Francijā - molekulārās bioloģijas institūti Parīzē, Marseļā, Strasbūrā, Pastēra institūts; ASV - M. b. universitātēs un institūtos Bostonā (Hārvardas universitāte, Masačūsetsas Tehnoloģiju institūts), Sanfrancisko (Berkeley), Losandželosā (Kalifornijas Tehnoloģiju institūts), Ņujorkā (Rokfellera universitāte), veselības institūtos Bethesdā uc; Vācijā - Maksa Planka institūti, universitātes Getingenē un Minhenē; Zviedrijā - Karolinska institūts Stokholmā; Vācijas Demokrātiskajā Republikā - Centrālais molekulārās bioloģijas institūts Berlīnē, institūti Jēnā un Hallē; Ungārijā - Bioloģiskais centrs Segedā. PSRS pirmais specializētais institūts M. b. tika izveidots Maskavā 1957. gadā PSRS Zinātņu akadēmijas sistēmā (skat. ); pēc tam Maskavas PSRS Zinātņu akadēmijas Bioorganiskās ķīmijas institūts, Olbaltumvielu institūts Puščīno, Atomenerģijas institūta (Maskava) Bioloģijas departaments, M. b. Novosibirskas Zinātņu akadēmijas Sibīrijas nodaļas institūtos, Maskavas Valsts universitātes Bioorganiskās ķīmijas starpfakultātu laboratorijā, Ukrainas PSR Zinātņu akadēmijas molekulārās bioloģijas un ģenētikas sektorā (toreizējā institūtā) Kijevā; nozīmīgs darbs pie M. b. tiek veikta Makromolekulāro savienojumu institūtā Ļeņingradā, vairākos PSRS Zinātņu akadēmijas departamentos un laboratorijās un citās nodaļās.

Kopā ar atsevišķiem pētniecības centriem ir izveidojušās plašāka mēroga organizācijas. AT Rietumeiropa radās Eiropas organizācija M. (EMBO), kurā piedalās vairāk nekā 10 valstis. PSRS Molekulārās bioloģijas institūtā 1966. gadā tika izveidota molekulārās bioloģijas zinātniskā padome, kas ir koordinējošs un organizējošs centrs šajā zināšanu jomā. Viņš ir publicējis plašu monogrāfiju sēriju par svarīgākajām medicīnas zinātnes sadaļām, regulāri organizē "ziemas skolas" par medicīnas zinātni, rīko konferences un simpozijus par medicīnas zinātnes aktualitātēm. Nākotnē zinātniski ieteikumi par M. b. tika izveidoti PSRS Medicīnas zinātņu akadēmijā un daudzās republikas Zinātņu akadēmijās. Kopš 1966. gada tiek izdots žurnāls "Molekulārā bioloģija" (6 numuri gadā).

Salīdzinoši īsā laika periodā PSRS ir pieaudzis ievērojams pētnieku skaits medicīnas zinātnes jomā; tie ir vecākās paaudzes zinātnieki, kuri savas intereses ir daļēji mainījuši no citām jomām; galvenokārt tie ir daudzi jauni pētnieki. Starp vadošajiem zinātniekiem, kuri aktīvi piedalījās M. b. PSRS var nosaukt tādus kā A. A. Baev, A. N. Belozersky, A. E. Braunstein, Yu. A. Ovchinnikov, A. S. Spirin, M. M. Shemyakin, V. A. Engelgardt. M. jaunie sasniegumi. un molekulāro ģenētiku veicinās PSKP Centrālās komitejas un PSRS Ministru padomes dekrēts (1974. gada maijs) "Par pasākumiem, lai paātrinātu molekulārās bioloģijas un molekulārās ģenētikas attīstību un to sasniegumu izmantošanu valsts ekonomikā".

Lit .: Vāgners R., Mičels G., Ģenētika un vielmaiņa, trans. no angļu valodas., M., 1958; Senžorģija un A., bioenerģija, tulk. no angļu valodas, M., 1960; Anfinsens K., Molekulārie evolūcijas pamati, tulk. no angļu valodas., M., 1962; Stenlijs W., Valens E., Vīrusi un dzīves daba, tulk. no angļu valodas, M., 1963; Molekulārā ģenētika, tulk. no. Angļu valoda, 1. daļa, M., 1964. gads; Volkenstein M.V., Molekulas un dzīve. Ievads molekulārajā biofizikā, M., 1965; F. Gaurovics, olbaltumvielu ķīmija un funkcija, tulk. no angļu valodas, M., 1965; Bresler SE, Ievads molekulārajā bioloģijā, 3. izdevums, M. - L., 1973; Ingrama V., Makromolekulu biosintēze, trans. no angļu valodas, M., 1966; Engelhardt VA, Molekulārā bioloģija, grāmatā: Bioloģijas attīstība PSRS, M., 1967; Ievads molekulārajā bioloģijā, tulk. no angļu valodas., M., 1967; Watson J., gēna molekulārā bioloģija, tulk. no angļu valodas., M., 1967; Finean J., Biological ultrastructure, trans. no angļu valodas., M., 1970; J. Bendals, Muskuļi, molekulas un kustība, tulk. no angļu valodas., M., 1970; Ichas M., bioloģiskais kods, tulk. no angļu valodas, M., 1971; Vīrusu molekulārā bioloģija, M., 1971; Olbaltumvielu biosintēzes molekulārās bāzes, M., 1971; Bernhards S., Fermentu struktūra un funkcija, trans. no angļu valodas, M., 1971; Spirin A.S., Gavrilova L. P., Ribosoma, 2. izdev., M., 1971; Frenkels-Konrats H., vīrusu ķīmija un bioloģija, tulk. no angļu valodas., M., 1972; Smith K., Hanewalt F., molekulārā fotobioloģija. Inaktivācijas un atjaunošanas procesi, trans. no angļu valodas., M., 1972; Hariss G., Cilvēka bioķīmiskās ģenētikas pamati, tulk. no angļu valodas, M., 1973.

V.A.Engelgards.

Lielā padomju enciklopēdija. - M.: padomju enciklopēdija. 1969-1978 .

Molekulārā bioloģija, zinātne, kas par savu uzdevumu izvirza zināšanas par vitālās aktivitātes parādību būtību, pētot bioloģiskos objektus un sistēmas līmenī, kas tuvojas molekulārajam līmenim un dažos gadījumos pat sasniedz šo robežu. Galīgais mērķis šajā gadījumā ir noskaidrot, kā un cik lielā mērā dzīves raksturīgās izpausmes, piemēram, iedzimtība, sava veida atražošana, olbaltumvielu biosintēze, uzbudināmība, izaugsme un attīstība, informācijas uzglabāšana un pārraide, enerģijas pārveidošana, mobilitāte utt. , ir saistītas ar bioloģiski svarīgu vielu struktūru, īpašībām un mijiedarbību, galvenokārt ar divām molekulām ar lielu molekulmasu biopolimēru - olbaltumvielu un nukleīnskābju - molekulām. Atšķirīga iezīme M. b. - dzīvības parādību izpēte uz nedzīviem priekšmetiem vai tiem, kas raksturīgi primitīvākajām dzīves izpausmēm. Tie ir bioloģiski veidojumi no šūnu līmeņa un zemāk: subcellular organelles, piemēram, izolēti šūnu kodoli, mitohondriji, ribosomas, hromosomas, šūnu membrānas; tālāk - sistēmas, kas atrodas uz dzīvās un nedzīvās dabas robežas - vīrusi, ieskaitot bakteriofāgus, un beidzot ar dzīvās vielas vissvarīgāko komponentu molekulām - nukleīnskābēm un olbaltumvielām.

Pamatu, uz kura M. b. Attīstījās, lika tādas zinātnes kā ģenētika, bioķīmija, elementāru procesu fizioloģija utt. Saskaņā ar viņa attīstības izcelsmi M. b. nesaraujami saistīts ar molekulāro ģenētiku, kas joprojām ir nozīmīga

Atšķirīga M. b. ir tā trīsdimensiju. M. būtība. M. Perucs to redz, interpretējot bioloģiskās funkcijas molekulārās struktūras ziņā. M. dz. mērķis ir iegūt atbildes uz jautājumu "kā", uzzinot visas molekulas struktūras lomas un līdzdalības būtību, un uz jautājumiem "kāpēc" un "kāpēc", no vienas puses, noskaidrojot saikni starp molekulas īpašībām (atkal, galvenokārt, olbaltumvielām un nukleīnskābes) un tās veiktās funkcijas, un, no otras puses, šādu individuālo funkciju loma vispārējā vitālās aktivitātes izpausmju kompleksā.

Galvenie sasniegumi molekulārajā bioloģijā. Šeit ir tālu no pilnīga šo sasniegumu saraksta: DNS bioloģiskās funkcijas, visu RNS un ribosomu veidu struktūras un mehānisma atklāšana, ģenētiskā koda atklāšana; reversās transkripcijas atklāšana, t.i., DNS sintēze uz RNS šablona; elpošanas pigmentu darbības mehānismu izpēte; trīsdimensiju struktūras un tās funkcionālās lomas atklāšana enzīmu darbībā, matricas sintēzes princips un olbaltumvielu biosintēzes mehānismi; vīrusu struktūras un to replikācijas mehānismu, primārās un daļēji antivielu telpiskās struktūras atklāšana; atsevišķu gēnu izolēšana, ķīmiskā un pēc tam bioloģiskā (fermentatīvā) gēna, ieskaitot cilvēku, sintēze ārpus šūnas (in vitro); gēnu pārnešana no viena organisma uz otru, ieskaitot cilvēka šūnas; strauji progresējoša arvien vairāku atsevišķu olbaltumvielu, galvenokārt enzīmu, kā arī nukleīnskābju ķīmiskās struktūras atšifrēšana; dažu pieaugošas sarežģītības pakāpes bioloģisko objektu "pašsavienošanās" parādību noteikšana, sākot no nukleīnskābes molekulām un pārejot uz daudzkomponentu enzīmiem, vīrusiem, ribosomām utt. alosterisko un citu bioloģisko funkciju un procesu regulēšanas pamatprincipu noskaidrošana.

Molekulārās bioloģijas problēmas. Kopā ar norādītajiem svarīgajiem M. b. ("atpazīšanas", pašsapulcēšanās un integrācijas modeļu izzināšana) steidzams zinātniskās meklēšanas virziens tuvākajā nākotnē ir tādu metožu izstrāde, kas ļauj struktūru atšifrēt, un pēc tam trīsdimensiju, telpiska lielu molekulmasu nukleīnskābju organizācija. Visas svarīgākās metodes, kuru izmantošana nodrošināja medicīnas zinātnes rašanos un panākumus, ieteica un izstrādāja fiziķi (ultracentrifugācija, rentgena strukturālā analīze, elektronu mikroskopija, kodolmagnētiskā rezonanse utt.). Gandrīz visas jaunās fiziskās eksperimentālās pieejas (piemēram, datoru, sinhrotrona vai bremsstrahlung, starojuma, lāzera tehnoloģiju un citu izmantošana) paver jaunas iespējas padziļinātai medicīnas zinātnes problēmu izpētei. Starp vissvarīgākajiem praktiska rakstura uzdevumiem, uz kuriem atbilde tiek gaidīta no M. b., Pirmkārt, ir ļaundabīgā augšanas molekulārā pamata problēma, pēc tam - veidi, kā novērst un, iespējams, pārvarēt iedzimtas slimības - "molekulārās slimības". Liela nozīme būs bioloģiskās katalīzes molekulārā pamata, tas ir, fermentu darbības, noskaidrošanai. Starp svarīgākajiem mūsdienu virzieniem M. b. jāietver vēlme atšifrēt hormonu, toksisko un ārstniecisko vielu molekulāros darbības mehānismus, kā arī noskaidrot detaļas par tādu šūnu struktūru kā bioloģisko membrānu molekulāro struktūru un darbību, kas iesaistītas vielu iekļūšanas un transportēšanas procesu regulēšanā. Tālāki mērķi M. b. - nervu procesu, atmiņas mehānismu utt. rakstura izzināšana. Viena no svarīgākajām M. b. - tā sauktais. gēnu inženierija, kas par savu uzdevumu izvirza mērķtiecīgu dzīvo organismu ģenētiskā aparāta (genoma) darbību, sākot ar mikrobiem un zemākiem (vienšūnu) un beidzot ar cilvēkiem (pēdējā gadījumā galvenokārt radikālas iedzimtu slimību ārstēšanas un ģenētisko defektu korekcijas nolūkā).

Vissvarīgākās MB jomas:

- Molekulārā ģenētika - šūnas ģenētiskā aparāta strukturālās un funkcionālās organizācijas un iedzimtas informācijas realizācijas mehānisma izpēte

- Molekulārā viroloģija - vīrusu un šūnu mijiedarbības molekulāro mehānismu izpēte

- Molekulārā imunoloģija - ķermeņa imūno reakciju modeļu izpēte

- Molekulārā attīstības bioloģija - pētījums par dažādu kvalitātes šūnu parādīšanos laikā individuālā attīstība organismu un šūnu specializācija

Galvenie pētījuma objekti: vīrusi (ieskaitot bakteriofāgus), šūnas un apakššūnu struktūras, makromolekulas, daudzšūnu organismi.

Komiksi konkursam "bio / mol / text": Šodien molekulārā biologa mēģene vadīs jūs pārsteidzošās zinātnes pasaulē - molekulārajā bioloģijā! Mēs sāksim ar vēsturisku ekskursiju pa tās attīstības posmiem un aprakstīsim galvenos atklājumus un eksperimentus kopš 1933. gada. Un mēs skaidri pastāstīsim arī par galvenajām molekulārās bioloģijas metodēm, kas ļāva manipulēt ar gēniem, mainīt un izolēt tos. Šo metožu parādīšanās kalpoja par spēcīgu stimulu molekulārās bioloģijas attīstībai. Atgādināsim arī biotehnoloģijas lomu un skarsim vienu no populārākajām tēmām šajā jomā - genoma rediģēšanu, izmantojot CRISPR / Cas sistēmas.

Sacensību ģenerālsponsors un Skoltech nominācijas partneris.

Konkursa sponsors ir uzņēmums Diaem: lielākais aprīkojuma, reaģentu un palīgmateriālu piegādātājs bioloģiskiem pētījumiem un ražošanai.

Uzņēmums bija skatītāju balvas sponsors.

Konkursa "Book" sponsors - "Alpina non-fiction"

1. Ievads. Molekulārās bioloģijas būtība

Pēta organismu dzīves pamatus makromolekulu līmenī. Molekulārās bioloģijas mērķis ir noteikt šo makromolekulu lomu un darbības mehānismus, pamatojoties uz zināšanām par to struktūru un īpašībām.

Vēsturiski molekulārā bioloģija izveidojās, attīstoties bioķīmijas jomām, kurās tiek pētītas nukleīnskābes un olbaltumvielas. Kamēr bioķīmija pēta vielmaiņu, dzīvo šūnu, organismu ķīmisko sastāvu un tajos veiktos ķīmiskos procesus, molekulārā bioloģija koncentrējas uz ģenētiskās informācijas pārraides, reproducēšanas un uzglabāšanas mehānismu izpēti.

Molekulārās bioloģijas izpētes objekts ir pašas nukleīnskābes - dezoksiribonukleīnskābe (DNS), ribonukleīnskābe (RNS) - un olbaltumvielas, kā arī to makromolekulārie kompleksi - hromosomas, ribosomas, daudzenzīmu sistēmas, kas nodrošina olbaltumvielu un nukleīnskābju biosintēzi. Molekulārā bioloģija robežojas arī ar pētniecības objektiem un pārklājas ar molekulāro ģenētiku, viroloģiju, bioķīmiju un vairākām citām saistītām bioloģiskām zinātnēm.

2. Vēsturiska ekskursija pa molekulārās bioloģijas attīstības posmiem

Kā atsevišķa bioķīmijas nozare molekulārā bioloģija sāka attīstīties pagājušā gadsimta 30. gados. Jau tad radās nepieciešamība izprast dzīves fenomenu molekulārā līmenī, lai pētītu ģenētiskās informācijas pārraides un uzglabāšanas procesus. Tajā laikā pētot olbaltumvielu un nukleīnskābju īpašības, struktūru un mijiedarbību, tika noteikts molekulārās bioloģijas uzdevums.

Pirmo reizi termins "molekulārā bioloģija" tika izmantots 1933 gads Viljams Astburijs fibrilāro olbaltumvielu (kolagēna, asins fibrīna, muskuļu saraušanās olbaltumvielu) pētījumu gaitā. Astburijs pētīja saistību starp šo olbaltumvielu molekulāro struktūru un bioloģiskajām, fizikālajām īpašībām. Molekulārās bioloģijas parādīšanās sākumā RNS tika uzskatīta tikai par augu un sēņu sastāvdaļu, un DNS - tikai par dzīvniekiem. Un iekšā 1935 DNS atklāšana zirņos, ko veica Andrejs Belozerskis, ļāva konstatēt faktu, ka DNS ir katrā dzīvā šūnā.

AT 1940 gadā kolosāls sasniegums bija cēloņsakarības noteikšana starp gēniem un olbaltumvielām, ko veica Džordžs Bītls un Edvards Tatems. Zinātnieku hipotēze "Viens gēns - viens ferments" veidoja pamatu koncepcijai, ka olbaltumvielu specifisko struktūru regulē gēni. Tiek uzskatīts, ka ģenētisko informāciju kodē īpaša nukleotīdu secība DNS, kas regulē olbaltumvielu primāro struktūru. Vēlāk tika pierādīts, ka daudziem proteīniem ir kvartāra struktūra. Šādu struktūru veidošanā ir iesaistītas dažādas peptīdu ķēdes. Pamatojoties uz to, noteikums par attiecībām starp gēnu un fermentu ir nedaudz modificēts, un tagad tas izklausās kā "Viens gēns - viens polipeptīds".

AT 1944 Amerikāņu biologs Osvalds Eiverijs un viņa kolēģi (Kolins Makleods un Makleins Makartijs) pierādīja, ka baktēriju transformāciju izraisošā viela ir DNS, nevis olbaltumvielas. Eksperiments kalpoja kā pierādījums DNS lomai iedzimtas informācijas nodošanā, izdzēšot novecojušas zināšanas par gēnu olbaltumvielu dabu.

50. gadu sākumā Frederiks Sangers parādīja, ka olbaltumvielu ķēde ir unikāla aminoskābju atlikumu secība. AT 1951 un 1952 gadus zinātnieks noteica divu polipeptīdu ķēžu - liellopu insulīna - pilnīgu secību AT (30 aminoskābju atlikumi) un UN (Attiecīgi 21 aminoskābes atlikums).

Apmēram tajā pašā laikā 1951–1953 gadus Ervins Šargafs formulēja noteikumus slāpekļa bāzu attiecībai DNS. Saskaņā ar noteikumu, neatkarīgi no dzīvo organismu sugu atšķirībām viņu DNS, adenīna (A) daudzums ir vienāds ar timīna (T) daudzumu, bet guanīna (G) daudzums ir vienāds ar citozīna (C) daudzumu.

AT 1953 ir pierādīta DNS ģenētiskā loma. Džeimss Vatsons un Frensiss Kriks, pamatojoties uz Rozalinda Franklina un Morisa Vilkinsa iegūto DNS rentgenstaru, izveidoja DNS telpisko struktūru un izvirzīja vēlāk apstiprinātu pieņēmumu par tās replikācijas (dubultošanās) mehānismu, kas ir iedzimtības pamatā.

1958 gads - Francis Kriks veido molekulārās bioloģijas centrālo dogmu: ģenētiskās informācijas nodošana notiek DNS → RNS → olbaltumvielu virzienā.

Dogmas būtība ir tāda, ka šūnām ir noteikta virziena informācijas plūsma no DNS, kas, savukārt, ir sākotnējais ģenētiskais teksts, kas sastāv no četriem burtiem: A, T, G un C. Tas ir ierakstīts DNS dubultā spirālē formā šo burtu secības - nukleotīdi.

Šis teksts tiek transkribēts. Un pats process tiek saukts transkripcija... Šī procesa gaitā tiek sintezēta RNS, kas ir identiska ģenētiskajam tekstam, bet ar atšķirību: TNS vietā RNS ir U (uracils).

Šo RNS sauc kurjera RNS (mRNS) vai matrica (mRNS). Raidījums mRNS tiek veikta, izmantojot ģenētisko kodu tripletu nukleotīdu secību veidā. Šī procesa laikā DNS un RNS nukleīnskābju teksts tiek tulkots no četru burtu teksta divdesmit burtu aminoskābju tekstā.

Dabisko aminoskābju ir tikai divdesmit, un nukleīnskābju tekstā ir četri burti. Tādēļ ar ģenētiskā koda palīdzību ir tulkojums no četru burtu alfabēta uz divdesmit burtu alfabētu, kurā aminoskābe atbilst katram trīs nukleotīdam. Tātad jūs varat izveidot pat 64 trīs burtu četru burtu kombinācijas, bet aminoskābes ir 20. No tā izriet, ka ģenētiskajam kodam obligāti jābūt deģenerācijas īpašībai. Tomēr tajā laikā ģenētiskais kods nebija zināms, turklāt viņi pat nesāka to atšifrēt, bet Kriks jau bija formulējis savu centrālo dogmu.

Neskatoties uz to, pastāvēja uzskats, ka kodam vajadzētu pastāvēt. Līdz tam laikam bija pierādīts, ka šim kodam ir trīskāršība. Tas nozīmē, ka īpaši trīs burti ar nukleīnskābēm ( kodoni) atbilst jebkurai aminoskābei. Šo kodonu ir 64, tie kodē 20 aminoskābes. Tas nozīmē, ka katrai aminoskābei vienlaikus atbilst vairāki kodoni.

Tādējādi mēs varam secināt, ka centrālā dogma ir postulāts, ka šūnā notiek virzīta informācijas plūsma: DNS → RNS → proteīns. Kriks uzsvēra centrālās dogmas galveno saturu: informācijas apgrieztā plūsma nevar notikt, olbaltumviela nespēj mainīt ģenētisko informāciju.

Tā ir galvenā centrālās dogmas galvenā nozīme: olbaltumviela nespēj mainīt un pārveidot informāciju DNS (vai RNS), plūsma vienmēr iet tikai vienā virzienā.

Kādu laiku pēc tam tika atklāts jauns ferments, kas centrālās dogmas formulēšanas laikā nebija zināms, reversā transkriptāzekas sintezē DNS no RNS. Fermentu atklāja vīrusos, kuros ģenētiskā informācija ir kodēta RNS, nevis DNS. Šos vīrusus sauc par retrovīrusiem. Viņiem ir vīrusu kapsula ar RNS un tajā ievietots īpašs ferments. Ferments ir reversā transkriptāze, kas sintezē DNS saskaņā ar šī vīrusa RNS veidni, un šī DNS pēc tam kalpo kā ģenētiskais materiāls vīrusa tālākai attīstībai šūnā.

Protams, šis atklājums izraisīja lielu šoku un daudz diskusiju starp molekulārajiem biologiem, jo \u200b\u200btika uzskatīts, ka, pamatojoties uz centrālo dogmu, tas tā nevar būt. Tomēr Kriks uzreiz paskaidroja, ka nekad nav teicis, ka tas nav iespējams. Viņš tikai teica, ka nekad nevar būt informācijas plūsma no olbaltumvielām līdz nukleīnskābēm, un jau jebkāda veida nukleīnskābju iekšienē ir pilnīgi iespējami procesi: DNS sintēze DNS, DNS RNS, RNS DNS un RNS RNS.

Pēc centrālās dogmas formulēšanas palika vairāki jautājumi: kā četru nukleotīdu, kas veido DNS (vai RNS), alfabēts kodē 20 burtu aminoskābju alfabētu, kas veido olbaltumvielas? Kāda ir ģenētiskā koda būtība?

Pirmās idejas par ģenētiskā koda esamību formulēja Aleksandrs Downs ( 1952 g.) un Georgiju Gamovu ( 1954 g.). Zinātnieki ir pierādījuši, ka nukleotīdu secībā jāietver vismaz trīs saites. Vēlāk tika pierādīts, ka šāda secība sastāv no trim nukleotīdiem, ko sauc kodons (trīskāršais). Neskatoties uz to, jautājums par to, kuri nukleotīdi ir atbildīgi par kādas aminoskābes iekļaušanu olbaltumvielu molekulā, palika atklāts līdz 1961. gadam.

Un iekšā 1961 Maršals Nirenbergs kopā ar Heinrihu Mattei izmantoja sistēmu apraidei in vitro... Par paraugu tika ņemts oligonukleotīds. Tas sastāvēja tikai no uracila atlikumiem, un no tā sintezētais peptīds ietvēra tikai aminoskābi fenilalanīnu. Tādējādi pirmo reizi tika noteikta kodona vērtība: UUU kodons kodē fenilalanīnu. Pēc tiem Har Korāns uzzināja, ka nukleotīdu secība UCUCUCUCUCUC kodē serīna-leicīna-serīna-leicīna aminoskābju kopumu. Pateicoties Nirenberga un Korāna darbam, kopumā 1965 gadā ģenētiskais kods tika pilnībā atšķetināts. Izrādījās, ka katrs triplets kodē noteiktu aminoskābi. Kodonu secība nosaka aminoskābju secību olbaltumvielās.

Galvenie olbaltumvielu un nukleīnskābju darbības principi tika formulēti līdz 70. gadu sākumam. Tika reģistrēts, ka olbaltumvielu un nukleīnskābju sintēzi veic ar matricas mehānismu. Šablona molekula satur kodētu informāciju par aminoskābju vai nukleotīdu secību. Replikācijas vai transkripcijas laikā šablons ir DNS, bet translācijas un reversās transkripcijas laikā tas ir mRNS.

Tādējādi tika izveidoti priekšnoteikumi molekulārās bioloģijas virzienu veidošanai, ieskaitot gēnu inženieriju. Un 1972. gadā Pols Bergs un viņa kolēģi izstrādāja molekulārā klonēšanas tehnoloģiju. Zinātnieki iegūst pirmo rekombinanto DNS in vitro... Šie izcilie atklājumi veidoja pamatu jaunam virzienam molekulārajā bioloģijā un 1972 gads kopš tā laika tiek uzskatīts par gēnu inženierijas dzimšanas datumu.

3. Molekulārās bioloģijas metodes

Kolosāli sasniegumi nukleīnskābju, DNS struktūras un olbaltumvielu biosintēzes izpētē ir radījuši vairākas metodes, kas liela nozīme medicīnā, lauksaimniecībā un zinātnē kopumā.

Pēc ģenētiskā koda un iedzimtas informācijas uzglabāšanas, nodošanas un realizēšanas pamatprincipu izpētes kļuva nepieciešamas īpašas metodes molekulārās bioloģijas tālākai attīstībai. Šīs metodes ļautu ar gēniem manipulēt, modificēt un izolēt.

Šādu metožu parādīšanās notika 20. gadsimta 70. un 80. gados. Tas deva milzīgu impulsu molekulārās bioloģijas attīstībai. Pirmkārt, šīs metodes ir tieši saistītas ar gēnu ražošanu un to ievadīšanu citu organismu šūnās, kā arī ar spēju noteikt nukleotīdu secību gēnos.

3.1. DNS elektroforēze

DNS elektroforēze ir pamata metode darbam ar DNS. DNS elektroforēzi izmanto kopā ar gandrīz visām citām metodēm, lai izolētu vēlamās molekulas un turpinātu rezultātu analīzi. DNS fragmentu atdalīšanai pēc garuma tiek izmantota pati gēla elektroforēzes metode.

Pirms vai pēc elektroforēzes gēlu apstrādā ar krāsvielām, kas var saistīties ar DNS. Krāsvielas fluorescē ultravioletajā gaismā, kā rezultātā gēlā veidojas lentes. Lai noteiktu DNS fragmentu garumus, tos var salīdzināt ar pēc marķieriem - standarta garuma fragmentu komplekti, kas tiek uzklāti uz tā paša želejas.

Fluorescējošas olbaltumvielas

Pētot eikariotu organismus, ir ērti izmantot fluorescējošus proteīnus kā marķiera gēnus. Pirmā zaļā fluorescējošā proteīna gēns ( zaļā fluorescējošā olbaltumviela, GFP), kas izolēts no medūzām Aqeuorea victoria, pēc kura tos ievadīja dažādos organismos. Pēc tam tika izolēti citu krāsu fluorescējošu olbaltumvielu gēni: zils, dzeltens, sarkans. Lai iegūtu olbaltumvielas ar interesējošām īpašībām, šādi gēni tika mākslīgi modificēti.

Kopumā vissvarīgākie instrumenti darbam ar DNS molekulu ir fermenti, kas šūnās veic vairākas DNS transformācijas: DNS polimerāze, DNS ligāzes un restrikcijas fermenti (ierobežošanas endonukleāzes).

Transgenesis

Transgenesis sauc par gēnu pārnešanu no viena organisma uz otru. Un šādus organismus sauc transgēns.

Rekombinanto olbaltumvielu preparātus tikko iegūst, pārnesot gēnus mikroorganismu šūnās. Būtībā šie olbaltumvielu preparāti ir interferoni, insulīns, daži olbaltumvielu hormoni un olbaltumvielas vairāku vakcīnu ražošanai.

Citos gadījumos tiek izmantotas eikariotu vai transgēnu dzīvnieku šūnu kultūras, galvenokārt mājlopi, kas nepieciešamos proteīnus izdala pienā. Tādā veidā tiek iegūtas antivielas, asinsreces faktori un citi proteīni. Transgenēzes metodi izmanto, lai iegūtu kultivētus augus, kuri ir izturīgi pret kaitēkļiem un herbicīdiem, un ar transgēnu mikroorganismu palīdzību notekūdeņi tiek attīrīti.

Papildus visam iepriekšminētajam transgēnās tehnoloģijas ir neaizstājamas zinātniskie pētījumi, jo bioloģijas attīstība notiek straujāk, izmantojot modifikācijas un gēnu pārneses metodes.

Ierobežojošie enzīmi

Secības, ko atpazīst restrikcijas endonukleāzes, ir simetriskas, tāpēc visa veida pārtraukumi var notikt vai nu šādas secības vidū, vai ar nobīdi vienā vai abos DNS molekulas pavedienos.

Kad jebkura DNS tiek sagremota ar restrikcijas enzīmu, secības fragmentu galos būs vienādas. Viņi varēs atkal izveidot savienojumu, jo viņiem ir papildinošas vietnes.

Jūs varat iegūt vienu molekulu, šujot šīs secības, izmantojot DNS ligāzes... Sakarā ar to ir iespējams apvienot divu dažādu DNS fragmentus un iegūt rekombinanto DNS.

3.2. PCR

Metode ir balstīta uz DNS polimerāžu spēju pabeigt otro DNS virkni gar komplementāro virkni tāpat kā DNS replikācijas procesā šūnā.

3.3. DNS sekvencēšana

Sekvencēšanas metodes strauja attīstība ļauj efektīvi noteikt pētāmā organisma īpašības tā genoma līmenī. Šādu genomisko un postgenomisko tehnoloģiju galvenā priekšrocība ir palielināt cilvēku slimību ģenētiskās izpētes un izpētes iespējas, lai iepriekš veiktu nepieciešamos pasākumus un izvairītos no slimībām.

Veicot plaša mēroga pētījumus, ir iespējams iegūt nepieciešamos datus par dažādu cilvēku grupu dažādajām ģenētiskajām īpašībām, tādējādi attīstot medicīniskās metodes. Tādēļ mūsdienās ir ļoti populāra dažādu slimību ģenētiskās noslieces identificēšana.

Šādas metodes tiek plaši izmantotas praktiski visā pasaulē, arī Krievijā. Zinātniskā progresa dēļ šādas metodes tiek ieviestas medicīnas pētījumos un medicīnas praksē kopumā.

4. Biotehnoloģija

Biotehnoloģija - disciplīna, kas pēta iespējas izmantot dzīvos organismus vai to sistēmas tehnoloģisko problēmu risināšanai, kā arī radīt dzīvus organismus ar vēlamām īpašībām, izmantojot gēnu inženieriju. Biotehnoloģijā tiek izmantotas ķīmijas, mikrobioloģijas, bioķīmijas un, protams, molekulārās bioloģijas metodes.

Galvenie biotehnoloģijas attīstības virzieni (visu nozaru ražošanā tiek ieviesti biotehnoloģisko procesu principi):

1. Jauna veida pārtikas un dzīvnieku barības radīšana un ražošana.
2. Jaunu mikroorganismu celmu iegūšana un izpēte.
3. Jaunu augu šķirņu selekcija, kā arī līdzekļu izveidošana augu aizsardzībai no slimībām un kaitēkļiem.
4. Biotehnoloģijas metožu pielietošana vides vajadzībām. Šādas biotehnoloģijas metodes tiek izmantotas atkritumu pārstrādei, tīrīšanai notekūdeņi, izplūdes gaisa un augsnes sanitārija.
5. Vitamīnu, hormonu, enzīmu, serumu ražošana zāļu vajadzībām. Biotehnologi izstrādā uzlabotas zāles, kuras iepriekš tika uzskatītas par neārstējamām.

Gēnu inženierija ir nozīmīgs progress biotehnoloģijā.

Gēnu inženierija - tehnoloģiju un metožu kopums rekombinanto RNS un DNS molekulu ražošanai, atsevišķu gēnu izolēšanai no šūnām, manipulēšanai ar gēniem un ievadīšanai citos organismos (baktērijās, raugā, zīdītājos). Šādi organismi spēj ražot galaproduktus ar vēlamām, izmainītām īpašībām.

Gēnu inženierijas metožu mērķis ir konstruēt jaunas, agrāk dabā neeksistējošas gēnu kombinācijas.

Runājot par gēnu inženierijas sasniegumiem, nav iespējams nepieskarties klonēšanas tēmai. Klonēšana ir viena no biotehnoloģijas metodēm, kas tiek izmantota dažādu organismu identisku pēcnācēju iegūšanai ar neaktīvu reprodukciju.

Citiem vārdiem sakot, klonēšanu var uzskatīt par procesu, kas rada ģenētiski identiskas organisma vai šūnas kopijas. Un klonētie organismi ir līdzīgi vai pat identiski ne tikai pēc izskata, bet arī pēc ģenētiskā satura.

Bēdīgi slavenā aita Dollija kļuva par pirmo klonēto zīdītāju 1966. gadā. To ieguva, transplantējot somatiskās šūnas kodolu olšūnas citoplazmā. Dollija bija kodol donora aitas ģenētiska kopija. Dabiskos apstākļos indivīds tiek veidots no vienas apaugļotas olšūnas, pusi no ģenētiskā materiāla saņēmis no diviem vecākiem. Tomēr klonēšanas laikā ģenētiskais materiāls tika ņemts no viena indivīda šūnas. Pirmkārt, no zigotas tika izņemts kodols, kurā atrodas pati DNS. Pēc tam kodols tika izņemts no pieaugušas aitas šūnas un implantēts tajā zigotā, kurā nebija kodola, un pēc tam tas tika pārstādīts pieauguša cilvēka dzemdē un deva iespēju izaugsmei un attīstībai.

Tomēr ne visi klonēšanas mēģinājumi ir bijuši veiksmīgi. Paralēli Dollija klonēšanai tika veikts DNS aizstājēja eksperiments ar 273 citām olām. Bet tikai vienā gadījumā dzīvs pieaudzis dzīvnieks varēja pilnībā attīstīties un augt. Pēc Dollija zinātnieki mēģināja klonēt cita veida zīdītājus.

Viens no gēnu inženierijas veidiem ir genoma rediģēšana.

CRISPR / Cas rīka pamatā ir baktēriju imūnās aizsardzības sistēmas elements, kuru zinātnieki ir pielāgojuši, lai ieviestu jebkādas izmaiņas dzīvnieku vai augu DNS.

CRISPR / Cas ir viena no biotehnoloģiskajām metodēm, lai manipulētu ar atsevišķiem gēniem šūnās. Šai tehnoloģijai ir daudz lietojumu. CRISPR / Cas ļauj pētniekiem noskaidrot dažādu gēnu funkciju. Lai to izdarītu, jums vienkārši jāizgriež pētāmais gēns no DNS un jāizpēta, kuras ķermeņa funkcijas tika ietekmētas.

Daži praktiski pielietojumi sistēmas:

1. Lauksaimniecība. Lauksaimniecības kultūras var uzlabot, izmantojot CRISPR / Cas sistēmas. Proti, lai tie būtu garšīgāki un barojošāki, kā arī karstumizturīgi. Augus var apveltīt ar citām īpašībām: piemēram, izgriezt alergēnu gēnu no riekstiem (zemesriekstiem vai lazdu riekstiem).
2. Medicīna, iedzimtas slimības. Zinātnieku mērķis ir izmantot CRISPR / Cas, lai noņemtu cilvēka genoma mutācijas, kas var izraisīt tādas slimības kā sirpjveida šūnu anēmija utt. Teorētiski CRISPR / Cas var apturēt HIV attīstību.
3. Gēnu dziņa. CRISPR / Cas var mainīt ne tikai atsevišķa dzīvnieka vai auga genomu, bet arī sugas genofondu. Šis jēdziens ir pazīstams kā "Gēnu dziņa"... Katrs dzīvais organisms nodod pusi no saviem gēniem saviem pēcnācējiem. Bet CRISPR / Cas izmantošana var palielināt gēnu pārnešanas varbūtību līdz pat 100%. Tas ir svarīgi, lai vēlamā īpašība ātrāk izplatītos visā populācijā.

Šveices zinātnieki ir ievērojami uzlabojuši un modernizējuši CRISPR / Cas genoma rediģēšanas metodi, tādējādi paplašinot tā iespējas. Tomēr zinātnieki vienlaikus varēja modificēt tikai vienu gēnu, izmantojot CRISPR / Cas sistēmu. Bet tagad Šveices augstākā līmeņa pētnieki tehniskā skola Cīrihe ir izstrādājusi metodi, ar kuru šūnā ir iespējams vienlaikus modificēt 25 gēnus.

Jaunākajai tehnikai speciālisti izmantoja Cas12a fermentu. Pirmo reizi vēsturē ģenētiķi ir veiksmīgi klonējuši pērtiķus. Tautas mehānika;

Nikolenko S. (2012). Genomika: problēmu izklāsts un sekvencēšanas metodes. "Postnauka".