ภาพวาดบนแผ่น A3 ในหัวข้อชีววิทยา ชีววิทยาที่ Lyceum
วิทยาศาสตร์ชีวภาพมีแนวทางตั้งแต่ใหญ่ไปเล็ก เมื่อเร็วๆ นี้ ชีววิทยาได้บรรยายถึงลักษณะภายนอกของสัตว์ พืช และแบคทีเรียโดยเฉพาะ อณูชีววิทยาศึกษาสิ่งมีชีวิตในระดับปฏิสัมพันธ์ของแต่ละโมเลกุล ชีววิทยาโครงสร้าง - ศึกษากระบวนการในเซลล์ในระดับอะตอม หากคุณต้องการทราบวิธีการ “มองเห็น” อะตอมแต่ละอะตอม วิธีการทำงาน และ “การใช้ชีวิต” ชีววิทยาโครงสร้างและอุปกรณ์อะไรที่เขาใช้ เอาล่ะ!
พันธมิตรทั่วไปของวงจรนี้คือบริษัท ซึ่งเป็นซัพพลายเออร์อุปกรณ์ รีเอเจนต์ และวัสดุสิ้นเปลืองสำหรับการวิจัยและการผลิตทางชีวภาพรายใหญ่ที่สุด
ภารกิจหลักอย่างหนึ่งของชีวโมเลกุลคือการไปให้ถึงรากเหง้า เราไม่เพียงแค่บอกคุณว่าข้อเท็จจริงใหม่ๆ ที่นักวิจัยค้นพบคืออะไร แต่เราพูดถึงวิธีที่พวกเขาค้นพบ เราพยายามอธิบายหลักการของเทคนิคทางชีววิทยา จะนำยีนออกจากสิ่งมีชีวิตหนึ่งแล้วใส่เข้าไปในสิ่งมีชีวิตอื่นได้อย่างไร? คุณจะติดตามชะตากรรมของโมเลกุลเล็กๆ หลายโมเลกุลในเซลล์ขนาดใหญ่ได้อย่างไร? จะกระตุ้นเซลล์ประสาทกลุ่มเล็ก ๆ กลุ่มหนึ่งในสมองขนาดใหญ่ได้อย่างไร?
ดังนั้นเราจึงตัดสินใจที่จะพูดคุยเกี่ยวกับวิธีการทางห้องปฏิบัติการอย่างเป็นระบบมากขึ้นเพื่อรวบรวมเทคนิคทางชีววิทยาที่สำคัญที่สุดและทันสมัยที่สุดไว้ในส่วนเดียว เพื่อให้น่าสนใจและชัดเจนยิ่งขึ้น เราได้อธิบายบทความอย่างละเอียดและแม้แต่เพิ่มภาพเคลื่อนไหวที่นี่และที่นั่น เราต้องการให้บทความในส่วนใหม่น่าสนใจและเข้าใจได้แม้กับผู้ที่สัญจรไปมาทั่วไป ในทางกลับกัน ควรมีรายละเอียดมากจนแม้แต่มืออาชีพก็สามารถค้นพบสิ่งใหม่ๆ ในตัวได้ เราได้รวบรวมวิธีการออกเป็น 12 กลุ่มใหญ่ และกำลังจะจัดทำปฏิทินชีววิธีตามวิธีการเหล่านั้น คอยติดตามการปรับปรุง!
เหตุใดจึงต้องมีชีววิทยาโครงสร้าง?
ดังที่คุณทราบ ชีววิทยาเป็นศาสตร์แห่งชีวิต เธอปรากฏตัวใน ต้น XIXศตวรรษและร้อยปีแรกของการดำรงอยู่เป็นเพียงการพรรณนาเท่านั้น ภารกิจหลักชีววิทยาในเวลานั้นได้รับการพิจารณาเพื่อค้นหาและจำแนกลักษณะของสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และหลังจากนั้นเล็กน้อย - เพื่อระบุความสัมพันธ์ในครอบครัวระหว่างพวกมัน เมื่อเวลาผ่านไปและด้วยการพัฒนาของสาขาวิทยาศาสตร์อื่น ๆ หลายสาขาที่มีคำนำหน้าว่า "โมเลกุล" เกิดขึ้นจากชีววิทยา: อณูพันธุศาสตร์ อณูชีววิทยาและชีวเคมี - วิทยาศาสตร์ที่ศึกษาสิ่งมีชีวิตในระดับโมเลกุลเดี่ยวไม่ใช่ที่ รูปร่างร่างกายหรือตำแหน่งสัมพันธ์ของอวัยวะภายใน ในที่สุดเมื่อไม่นานมานี้ (ในทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่ผ่านมา) สาขาวิชาความรู้เช่นนี้ ชีววิทยาโครงสร้าง- วิทยาศาสตร์ที่ศึกษากระบวนการในสิ่งมีชีวิตในระดับการเปลี่ยนแปลง โครงสร้างเชิงพื้นที่โมเลกุลเดี่ยว โดยพื้นฐานแล้ว ชีววิทยาเชิงโครงสร้างเป็นจุดตัดของวิทยาศาสตร์สามชนิดที่แตกต่างกัน ประการแรก นี่คือชีววิทยา เนื่องจากวิทยาศาสตร์ศึกษาวัตถุที่มีชีวิต ประการที่สอง ฟิสิกส์ เนื่องจากมีการใช้วิธีการทดลองทางกายภาพที่กว้างที่สุด และประการที่สาม เคมี เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโมเลกุลเป็นเป้าหมายของวินัยเฉพาะนี้
ชีววิทยาเชิงโครงสร้างศึกษาสารประกอบหลักสองประเภท ได้แก่ โปรตีน ("ส่วนการทำงาน" หลักของสิ่งมีชีวิตที่รู้จักทั้งหมด) และ กรดนิวคลีอิก(โมเลกุล “ข้อมูล” หลัก) ต้องขอบคุณชีววิทยาเชิงโครงสร้างที่ทำให้เรารู้ว่า DNA มีโครงสร้างแบบเกลียวคู่ tRNA ควรแสดงเป็นตัวอักษรโบราณ "L" และไรโบโซมมีหน่วยย่อยขนาดใหญ่และเล็กซึ่งประกอบด้วยโปรตีนและ RNA ในโครงสร้างเฉพาะ
เป้าหมายระดับโลกชีววิทยาเชิงโครงสร้างก็เหมือนกับวิทยาศาสตร์อื่นๆ คือ "เพื่อให้เข้าใจว่าทุกอย่างทำงานอย่างไร" สายโซ่โปรตีนพับอยู่ในรูปแบบใดที่ทำให้เซลล์แบ่งตัว บรรจุภัณฑ์ของเอนไซม์เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในระหว่างนั้น กระบวนการทางเคมีซึ่งดำเนินการในสิ่งที่ฮอร์โมนการเจริญเติบโตและตัวรับโต้ตอบกัน - นี่คือคำถามที่วิทยาศาสตร์นี้ตอบ ยิ่งไปกว่านั้น เป้าหมายที่แยกต่างหากคือการสะสมข้อมูลจำนวนมากที่สามารถตอบคำถามเหล่านี้ (บนวัตถุที่ยังไม่ได้ศึกษา) บนคอมพิวเตอร์โดยไม่ต้องอาศัยการทดลองที่มีราคาแพง
ตัวอย่างเช่นคุณต้องเข้าใจว่าระบบเรืองแสงในหนอนหรือเชื้อราทำงานอย่างไร - พวกเขาถอดรหัสจีโนมตามข้อมูลนี้พวกเขาพบโปรตีนที่ต้องการและทำนายโครงสร้างเชิงพื้นที่พร้อมกับกลไกการทำงาน อย่างไรก็ตาม เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การตระหนักว่าจนถึงขณะนี้วิธีการดังกล่าวมีอยู่ในวัยเด็กเท่านั้น และยังเป็นไปไม่ได้ที่จะทำนายโครงสร้างของโปรตีนได้อย่างแม่นยำ โดยมีเพียงยีนของมันเท่านั้น ในทางกลับกัน ผลลัพธ์ของชีววิทยาเชิงโครงสร้างมีการนำไปใช้ในการแพทย์ ดังที่นักวิจัยหลายคนหวังว่า ความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างของชีวโมเลกุลและกลไกการทำงานของพวกเขาจะช่วยให้สามารถพัฒนายาใหม่ได้อย่างมีเหตุผล ไม่ใช่โดยการลองผิดลองถูก (การคัดกรองปริมาณงานสูง พูดอย่างเคร่งครัด) ดังที่ทำบ่อยที่สุด ตอนนี้. และนี่ไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์ มียาจำนวนมากที่สร้างหรือปรับให้เหมาะสมโดยใช้ชีววิทยาเชิงโครงสร้างอยู่แล้ว
ประวัติความเป็นมาของชีววิทยาโครงสร้าง
ประวัติความเป็นมาของชีววิทยาเชิงโครงสร้าง (รูปที่ 1) ค่อนข้างสั้นและเริ่มต้นในต้นปี 1950 เมื่อ James Watson และ Francis Crick ซึ่งใช้ข้อมูลจาก Rosalind Franklin เกี่ยวกับการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์บนผลึก DNA ได้ประกอบแบบจำลองของชีววิทยาเชิงโครงสร้างที่ดีในปัจจุบัน เกลียวคู่ที่รู้จักกันจากชุดก่อสร้างโบราณ ก่อนหน้านี้เล็กน้อย Linus Pauling ได้สร้างแบบจำลองที่เป็นไปได้ตัวแรกของ -helix ซึ่งเป็นหนึ่งในองค์ประกอบพื้นฐานของโครงสร้างรองของโปรตีน (รูปที่ 2)
ห้าปีต่อมาในปี พ.ศ. 2501 ได้มีการกำหนดโครงสร้างโปรตีนแรกของโลก - ไมโอโกลบิน (โปรตีนจากเส้นใยกล้ามเนื้อ) ของวาฬสเปิร์ม (รูปที่ 3) แน่นอนว่ามันดูไม่สวยงามเท่าโครงสร้างสมัยใหม่ แต่เป็นก้าวสำคัญในการพัฒนาวิทยาศาสตร์สมัยใหม่
รูปที่ 3ข. โครงสร้างเชิงพื้นที่แรกของโมเลกุลโปรตีน John Kendrew และ Max Perutz สาธิตโครงสร้างเชิงพื้นที่ของไมโอโกลบิน ซึ่งประกอบขึ้นจากชุดโครงสร้างพิเศษ
สิบปีต่อมาในปี พ.ศ. 2527-2528 โครงสร้างแรกถูกกำหนดโดยสเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์ ตั้งแต่ช่วงเวลานั้น มีการค้นพบที่สำคัญหลายประการเกิดขึ้น: ในปี 1985 ได้รับโครงสร้างของคอมเพล็กซ์แรกของเอนไซม์ที่มีสารยับยั้งในปี 1994 โครงสร้างของ ATP synthase ซึ่งเป็น "เครื่องจักร" หลักของโรงไฟฟ้าของเซลล์ของเรา ( ไมโตคอนเดรีย) ถูกกำหนดและในปี 2000 โครงสร้างเชิงพื้นที่แรกได้รับ "โรงงาน" ของโปรตีน - ไรโบโซมซึ่งประกอบด้วยโปรตีนและ RNA (รูปที่ 6) ในศตวรรษที่ 21 การพัฒนาชีววิทยาเชิงโครงสร้างก้าวหน้าอย่างก้าวกระโดด ควบคู่ไปกับการเติบโตอย่างรวดเร็วในจำนวนโครงสร้างเชิงพื้นที่ ได้รับโครงสร้างของโปรตีนหลายประเภท: ตัวรับฮอร์โมนและไซโตไคน์, ตัวรับที่ควบคู่กับโปรตีน G, ตัวรับที่มีลักษณะคล้ายค่าผ่านทาง, โปรตีนของระบบภูมิคุ้มกัน และอื่นๆ อีกมากมาย
ด้วยการถือกำเนิดของเทคโนโลยีการถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์ไครโออิเล็กตรอนและการถ่ายภาพแบบใหม่ในทศวรรษปี 2010 โครงสร้างโปรตีนเมมเบรนที่มีความละเอียดสูงสุดที่ซับซ้อนจำนวนมากได้เกิดขึ้น ความก้าวหน้าของชีววิทยาโครงสร้างไม่ได้ถูกมองข้าม: ได้รับรางวัล 14 รางวัลสำหรับการค้นพบในสาขานี้ รางวัลโนเบลซึ่งห้าแห่งอยู่ในศตวรรษที่ 21 แล้ว
วิธีทางชีววิทยาเชิงโครงสร้าง
การวิจัยในสาขาชีววิทยาโครงสร้างดำเนินการโดยใช้หลายอย่าง วิธีการทางกายภาพซึ่งมีเพียงสามเท่านั้นที่อนุญาตให้หนึ่งได้รับโครงสร้างเชิงพื้นที่ของชีวโมเลกุลที่ความละเอียดอะตอม วิธีการทางชีววิทยาโครงสร้างมีพื้นฐานมาจากการวัดอันตรกิริยาของสารที่กำลังศึกษากับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าประเภทต่างๆ หรือ อนุภาคมูลฐาน- วิธีการทั้งหมดต้องใช้ทรัพยากรทางการเงินจำนวนมาก - ราคาของอุปกรณ์มักจะน่าทึ่ง
ในอดีต วิธีแรกของชีววิทยาเชิงโครงสร้างคือการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) (รูปที่ 7) ย้อนกลับไปในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 มีการค้นพบว่าโดยการใช้รูปแบบของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์บนผลึก เราสามารถศึกษาคุณสมบัติของพวกมันได้ เช่น ประเภทของความสมมาตรของเซลล์ ความยาวของพันธะระหว่างอะตอม เป็นต้น อย่างไรก็ตาม หาก ในเซลล์ของโครงตาข่ายนั้นมีอยู่ สารประกอบอินทรีย์จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะคำนวณพิกัดของอะตอมรวมถึงโครงสร้างทางเคมีและเชิงพื้นที่ของโมเลกุลเหล่านี้ นี่คือวิธีการได้รับโครงสร้างของเพนิซิลินในปี 1949 และในปี 1953 - โครงสร้างของเกลียวคู่ DNA
ดูเหมือนว่าทุกอย่างจะเรียบง่าย แต่มีความแตกต่าง
ก่อนอื่นคุณต้องได้รับคริสตัลและขนาดของมันจะต้องใหญ่พอ (รูปที่ 8) แม้ว่าสิ่งนี้จะเป็นไปได้สำหรับโมเลกุลที่ไม่ซับซ้อนมากนัก (โปรดจำไว้ว่าเกลือแกงหรือคอปเปอร์ซัลเฟตตกผลึกได้อย่างไร!) การตกผลึกของโปรตีนเป็นงานที่ซับซ้อนซึ่งต้องใช้ขั้นตอนที่ไม่ชัดเจนในการค้นหาสภาวะที่เหมาะสม ตอนนี้เสร็จสิ้นด้วยความช่วยเหลือของหุ่นยนต์พิเศษที่เตรียมและติดตามโซลูชันที่แตกต่างกันหลายร้อยรายการเพื่อค้นหาผลึกโปรตีนที่ "แตกหน่อ" อย่างไรก็ตาม ในช่วงแรกๆ ของการศึกษาด้านผลึกศาสตร์ การได้มาซึ่งผลึกโปรตีนอาจต้องใช้เวลาอันมีค่าหลายปี
ประการที่สอง ขึ้นอยู่กับข้อมูลที่ได้รับ (“รูปแบบการเลี้ยวเบนแบบดิบ” รูปที่ 8) โครงสร้างจะต้องมีการ “คำนวณ” ปัจจุบันนี้ยังเป็นงานประจำ แต่เมื่อ 60 ปีที่แล้ว ในยุคของเทคโนโลยีหลอดไฟและบัตรเจาะ มันไม่ง่ายเลย
ประการที่สาม แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะเติบโตเป็นผลึก แต่ก็ไม่จำเป็นเลยที่จะต้องกำหนดโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโปรตีน ด้วยเหตุนี้ โปรตีนจะต้องมีโครงสร้างเดียวกันในทุกไซต์ขัดแตะ ซึ่งไม่ได้เป็นเช่นนั้นเสมอไป .
ประการที่สี่ คริสตัลอยู่ไกลจาก สภาพธรรมชาติกระรอก. การศึกษาโปรตีนในผลึกก็เหมือนกับการศึกษาผู้คนโดยยัดคน 10 คนเข้าไปในห้องครัวเล็กๆ ที่เต็มไปด้วยควัน คุณจะพบว่าผู้คนมีแขน ขา และหัว แต่พฤติกรรมของพวกเขาอาจไม่เหมือนกับในสภาพแวดล้อมที่สะดวกสบายเสียทีเดียว แต่ถึงอย่างไร, การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เป็นวิธีการทั่วไปในการกำหนดโครงสร้างเชิงพื้นที่ และ 90% ของเนื้อหา PDB ได้มาโดยใช้วิธีนี้
SAR ต้องการแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ทรงพลัง - เครื่องเร่งอิเล็กตรอนหรือเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (รูปที่ 9) แหล่งที่มาดังกล่าวมีราคาแพง - หลายพันล้านเหรียญสหรัฐ - แต่โดยปกติแล้วกลุ่มหลายร้อยหรือหลายพันกลุ่มทั่วโลกจะใช้แหล่งข้อมูลเดียวโดยเสียค่าธรรมเนียมเล็กน้อย ไม่มีแหล่งที่มาที่ทรงพลังในประเทศของเรา นักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จึงเดินทางจากรัสเซียไปยังสหรัฐอเมริกาหรือยุโรปเพื่อวิเคราะห์ผลึกที่เกิดขึ้น คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการศึกษาเรื่องโรแมนติกเหล่านี้ได้ในบทความ “ ห้องปฏิบัติการวิจัยขั้นสูงของโปรตีนเมมเบรน: จากยีนถึงอังสตรอม» .
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ต้องใช้แหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ที่ทรงพลัง ยิ่งแหล่งกำเนิดมีพลังมากเท่าไร ผลึกก็จะมีขนาดเล็กลงเท่านั้น และนักชีววิทยาและวิศวกรพันธุศาสตร์ที่เจ็บปวดน้อยลงก็จะยิ่งต้องอดทนในการพยายามเพื่อให้ได้มาซึ่งผลึกที่โชคร้าย รังสีเอกซ์เกิดขึ้นได้ง่ายที่สุดโดยการเร่งลำแสงอิเล็กตรอนในซินโครตรอนหรือไซโคลตรอน - เครื่องเร่งวงแหวนขนาดยักษ์ เมื่ออิเล็กตรอนประสบกับความเร่ง มันก็จะปล่อยออกมา คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงความถี่ที่ต้องการ เมื่อเร็ว ๆ นี้แหล่งกำเนิดรังสีกำลังสูงพิเศษใหม่ได้ปรากฏขึ้น - เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ (XFEL)
หลักการทำงานของเลเซอร์ค่อนข้างง่าย (รูปที่ 9) ขั้นแรก อิเล็กตรอนจะถูกเร่งให้มีพลังงานสูงโดยใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด (ความยาวตัวเร่ง 1-2 กม.) จากนั้นจึงผ่านสิ่งที่เรียกว่า undulators ซึ่งเป็นชุดของแม่เหล็กที่มีขั้วต่างกัน
รูปที่ 9 หลักการทำงานของเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระลำอิเล็กตรอนจะถูกเร่ง ส่งผ่านตัวคลื่น และปล่อยรังสีแกมมาซึ่งตกลงบนตัวอย่างทางชีววิทยา
เมื่อผ่านคลื่นลูกคลื่นอิเล็กตรอนจะเริ่มเบี่ยงเบนไปจากทิศทางของลำแสงเป็นระยะ ๆ โดยประสบกับความเร่งและเปล่งรังสีเอกซ์ เนื่องจากอิเล็กตรอนทุกตัวเคลื่อนที่ในลักษณะเดียวกัน การแผ่รังสีจึงถูกขยายเนื่องจากอิเล็กตรอนตัวอื่นในลำแสงเริ่มดูดซับและปล่อยคลื่นรังสีเอกซ์ที่มีความถี่เท่ากันออกมาอีกครั้ง อิเล็กตรอนทุกตัวปล่อยรังสีพร้อมกันในรูปของวาบไฟที่ทรงพลังมากและสั้นมาก (กินเวลาน้อยกว่า 100 เฟมโตวินาที) พลังของลำแสงรังสีเอกซ์นั้นสูงมากจนแฟลชสั้น ๆ เพียงครั้งเดียวจะเปลี่ยนผลึกขนาดเล็กให้กลายเป็นพลาสมา (รูปที่ 10) แต่ในไม่กี่เฟมโตวินาทีนั้นในขณะที่คริสตัลยังอยู่ในสภาพสมบูรณ์ ก็สามารถรับภาพได้ คุณภาพสูงสุดเนื่องจากลำแสงมีความเข้มและความสม่ำเสมอสูง ค่าใช้จ่ายของเลเซอร์ดังกล่าวอยู่ที่ 1.5 พันล้านดอลลาร์ และมีการติดตั้งเพียงสี่แห่งในโลก (ตั้งอยู่ในสหรัฐอเมริกา (รูปที่ 11) ญี่ปุ่น เกาหลี และสวิตเซอร์แลนด์) ในปี 2560 มีการวางแผนที่จะดำเนินการเลเซอร์แห่งยุโรปครั้งที่ห้าในการก่อสร้างที่รัสเซียเข้าร่วมด้วย
รูปที่ 10 การแปลงโปรตีนเป็นพลาสมาใน 50 fs ภายใต้อิทธิพลของพัลส์เลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระเฟมโตวินาที = 1/1000000000000000 วินาที
การใช้ NMR สเปกโทรสโกปี ประมาณ 10% ของโครงสร้างเชิงพื้นที่ใน PDB ได้รับการพิจารณาแล้ว ในรัสเซียมีสเปกโตรมิเตอร์ NMR ที่ไวต่อพลังงานสูงพิเศษหลายตัวซึ่งทำงานระดับโลก ห้องปฏิบัติการ NMR ที่ใหญ่ที่สุดไม่เพียงแต่ในรัสเซียเท่านั้น แต่ทั่วทั้งพื้นที่ทางตะวันออกของปรากและทางตะวันตกของกรุงโซล ตั้งอยู่ที่สถาบันเคมีชีวภาพของ Russian Academy of Sciences (มอสโก)
สเปกโตรมิเตอร์ NMR เป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของชัยชนะของเทคโนโลยีเหนือความฉลาด ดังที่เราได้กล่าวไปแล้ว ในการใช้วิธีการสเปกโทรสโกปี NMR นั้น จำเป็นต้องมีสนามแม่เหล็กกำลังสูง ดังนั้น หัวใจของอุปกรณ์จึงเป็นแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวด ซึ่งเป็นขดลวดที่ทำจากโลหะผสมพิเศษที่แช่อยู่ในฮีเลียมเหลว (-269 °C) จำเป็นต้องใช้ฮีเลียมเหลวเพื่อให้เกิดความเป็นตัวนำยิ่งยวด เพื่อป้องกันไม่ให้ฮีเลียมระเหย จึงได้สร้างถังไนโตรเจนเหลวขนาดใหญ่ (-196 °C) ล้อมรอบฮีเลียม แม้ว่าจะเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า แต่ก็ไม่กินไฟฟ้า: ขดลวดตัวนำยิ่งยวดไม่มีความต้านทาน อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กจะต้อง "ป้อน" ด้วยฮีเลียมเหลวและไนโตรเจนเหลวอย่างต่อเนื่อง (รูปที่ 15) หากคุณไม่ติดตาม "การดับ" จะเกิดขึ้น: คอยล์จะร้อนขึ้น ฮีเลียมจะระเหยระเบิด และอุปกรณ์จะแตก ( ซม.วิดีโอ) สิ่งสำคัญคือสนามในตัวอย่างที่ยาว 5 ซม. จะต้องมีความสม่ำเสมอกันมาก ดังนั้นอุปกรณ์จึงประกอบด้วยแม่เหล็กขนาดเล็กสองสามโหลที่จำเป็นสำหรับ การปรับแต่งอย่างละเอียดสนามแม่เหล็ก
วีดีโอ การวางแผนดับสเปกโตรมิเตอร์ 21.14 Tesla NMR
ในการวัดค่า คุณต้องมีเซ็นเซอร์ - คอยล์พิเศษที่สร้างขึ้น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและบันทึกสัญญาณ "ย้อนกลับ" - การแกว่งของโมเมนต์แม่เหล็กของตัวอย่าง เพื่อเพิ่มความไว 2-4 เท่า เซ็นเซอร์จะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิ −200 °C ซึ่งจะช่วยขจัดสัญญาณรบกวนจากความร้อน ในการทำเช่นนี้ พวกเขาสร้างเครื่องจักรพิเศษ - แพลตฟอร์มไครโอแพลตฟอร์ม ซึ่งจะทำให้ฮีเลียมเย็นลงตามอุณหภูมิที่ต้องการและปั๊มไว้ข้างเครื่องตรวจจับ
มีวิธีทั้งกลุ่มที่ต้องอาศัยปรากฏการณ์การกระเจิงของแสง รังสีเอกซ์ หรือลำแสงนิวตรอน วิธีการเหล่านี้ ขึ้นอยู่กับความเข้มของการแผ่รังสี/การกระเจิงของอนุภาคในมุมต่างๆ ทำให้สามารถกำหนดขนาดและรูปร่างของโมเลกุลในสารละลายได้ (รูปที่ 16) การกระเจิงไม่สามารถระบุโครงสร้างของโมเลกุลได้ แต่สามารถใช้เป็นตัวช่วยในการวิธีอื่นได้ เช่น NMR สเปกโทรสโกปี เครื่องมือสำหรับตรวจวัดการกระเจิงของแสงมีราคาค่อนข้างถูก โดยมีราคา "เพียง" ประมาณ 100,000 ดอลลาร์ ขณะที่วิธีอื่นๆ จำเป็นต้องมีเครื่องเร่งอนุภาคซึ่งสามารถสร้างลำแสงนิวตรอนหรือกระแสรังสีเอกซ์อันทรงพลังได้
อีกวิธีหนึ่งที่ไม่สามารถกำหนดโครงสร้างได้ แต่สามารถรับข้อมูลสำคัญบางอย่างได้คือ การถ่ายโอนพลังงานเรืองแสงเรโซแนนซ์(หงุดหงิด). วิธีการนี้ใช้ปรากฏการณ์เรืองแสง ซึ่งเป็นความสามารถของสสารบางชนิดในการดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นหนึ่ง ขณะเดียวกันก็ปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นอื่นออกมา คุณสามารถเลือกคู่ของสารประกอบได้ โดยสารประกอบตัวหนึ่ง (ผู้บริจาค) แสงที่ปล่อยออกมาระหว่างการเรืองแสงจะสอดคล้องกับความยาวคลื่นการดูดกลืนแสงที่เป็นลักษณะเฉพาะของสารประกอบตัวที่สอง (ตัวรับ) ฉายรังสีผู้บริจาคด้วยเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นที่ต้องการ และวัดการเรืองแสงของตัวรับ ผลกระทบของ FRET ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างโมเลกุล ดังนั้น หากคุณใส่ผู้ให้และตัวรับเรืองแสงเข้าไปในโมเลกุลของโปรตีนสองตัวหรือโดเมนที่แตกต่างกัน (หน่วยโครงสร้าง) ของโปรตีนตัวหนึ่ง คุณสามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนหรือ ตำแหน่งสัมพัทธ์โดเมนในโปรตีน การลงทะเบียนดำเนินการโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ดังนั้น FRET จึงเป็นวิธีการที่มีราคาถูกแม้ว่าจะมีข้อมูลน้อยก็ตาม การใช้วิธีนี้เกี่ยวข้องกับความยากลำบากในการตีความข้อมูล
สุดท้ายนี้ เราไม่สามารถพลาดที่จะพูดถึง "วิธีการฝัน" ของนักชีววิทยาเชิงโครงสร้าง - การสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ (รูปที่ 17) แนวคิดของวิธีการคือการใช้ ความรู้ที่ทันสมัยเกี่ยวกับโครงสร้างและกฎพฤติกรรมของโมเลกุล จำลองพฤติกรรมของโปรตีนในรูปแบบคอมพิวเตอร์ ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้วิธีไดนามิกโมเลกุล คุณสามารถตรวจสอบการเคลื่อนไหวของโมเลกุลแบบเรียลไทม์หรือกระบวนการ "ประกอบ" โปรตีน (พับ) ด้วย "แต่" เพียงครั้งเดียว: เวลาสูงสุดที่สามารถคำนวณได้ไม่เกิน 1 มิลลิวินาที ซึ่งสั้นมาก แต่ในขณะเดียวกันก็ต้องใช้ทรัพยากรการคำนวณจำนวนมหาศาล (รูปที่ 18) เป็นไปได้ที่จะศึกษาพฤติกรรมของระบบในระยะเวลานานขึ้น แต่สามารถทำได้โดยสูญเสียความแม่นยำที่ยอมรับไม่ได้
การสร้างแบบจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ถูกนำมาใช้อย่างแข็งขันในการวิเคราะห์โครงสร้างเชิงพื้นที่ของโปรตีน เมื่อใช้การเชื่อมต่อ พวกเขาจะค้นหายาที่มีศักยภาพซึ่งมีแนวโน้มสูงที่จะทำปฏิกิริยากับโปรตีนเป้าหมาย ในขณะนี้ ความแม่นยำของการคาดการณ์ยังคงต่ำ แต่การเชื่อมต่อทำให้สามารถจำกัดช่วงของศักยภาพให้แคบลงได้อย่างมาก สารออกฤทธิ์ที่ต้องทดสอบเพื่อพัฒนายาตัวใหม่
สนามหลัก การประยุกต์ใช้จริงผลลัพธ์ของชีววิทยาเชิงโครงสร้างคือการพัฒนายาหรือการออกแบบแบบลากซึ่งเป็นที่นิยมในปัจจุบัน มีสองวิธีในการออกแบบยาตามข้อมูลเชิงโครงสร้าง: คุณสามารถเริ่มจากลิแกนด์หรือจากโปรตีนเป้าหมาย หากทราบยาหลายตัวที่ออกฤทธิ์ต่อโปรตีนเป้าหมายและได้รับโครงสร้างของคอมเพล็กซ์ยาโปรตีนคุณสามารถสร้างแบบจำลองของ "ยาในอุดมคติ" ตามคุณสมบัติของ "กระเป๋า" ที่มีผลผูกพันบนพื้นผิวของ โมเลกุลโปรตีน ระบุคุณสมบัติที่จำเป็นของยาที่มีศักยภาพ และค้นหาสารประกอบจากธรรมชาติที่รู้จักและยังไม่เป็นที่รู้จักทั้งหมด คุณสามารถสร้างความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติเชิงโครงสร้างของยาและกิจกรรมของมันได้ ตัวอย่างเช่น หากโมเลกุลมีส่วนโค้งอยู่ด้านบน กิจกรรมของมันจะสูงกว่าโมเลกุลที่ไม่มีส่วนโค้ง และยิ่งชาร์จธนูมากเท่าไร ยาก็จะยิ่งทำงานได้ดีขึ้นเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าในบรรดาโมเลกุลที่รู้จักทั้งหมด คุณจะต้องค้นหาสารประกอบที่มีคันธนูที่มีประจุที่ใหญ่ที่สุด
อีกวิธีหนึ่งคือการใช้โครงสร้างของเป้าหมายเพื่อค้นหาสารประกอบที่อาจโต้ตอบกับสารประกอบนั้นในตำแหน่งที่ถูกต้องบนคอมพิวเตอร์ได้ ในกรณีนี้มักจะใช้ห้องสมุดของชิ้นส่วน - สารชิ้นเล็ก ๆ หากคุณพบชิ้นส่วนที่ดีหลายชิ้นที่มีปฏิสัมพันธ์กับเป้าหมายในสถานที่ต่างๆ แต่อยู่ใกล้กัน คุณสามารถสร้างยาจากชิ้นส่วนได้โดยการ "เย็บ" พวกมันเข้าด้วยกัน มีตัวอย่างมากมายของการพัฒนายาที่ประสบความสำเร็จโดยใช้ชีววิทยาเชิงโครงสร้าง กรณีที่ประสบความสำเร็จครั้งแรกเกิดขึ้นในปี 1995: จากนั้น dorzolamide ซึ่งเป็นยาสำหรับโรคต้อหินก็ได้รับการอนุมัติให้ใช้
แนวโน้มทั่วไปในการวิจัยทางชีววิทยาไม่เพียงแต่เป็นเชิงคุณภาพเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคำอธิบายเชิงปริมาณของธรรมชาติด้วย ชีววิทยาเชิงโครงสร้างเป็นตัวอย่างที่สำคัญของเรื่องนี้ และมีเหตุผลทุกประการที่เชื่อได้ว่าจะยังคงได้รับประโยชน์ไม่เพียงแค่เท่านั้น วิทยาศาสตร์พื้นฐานแต่ยังรวมถึงการแพทย์และเทคโนโลยีชีวภาพด้วย
ปฏิทิน
จากบทความของโครงการพิเศษ เราตัดสินใจจัดทำปฏิทิน “12 วิธีทางชีววิทยา” สำหรับปี 2562 บทความนี้แสดงถึงเดือนมีนาคม
วรรณกรรม
- การเรืองแสงจากสิ่งมีชีวิต: การเกิดใหม่;
- ชัยชนะของวิธีการคอมพิวเตอร์: การทำนายโครงสร้างโปรตีน
- เหอผิง เจิ้ง, คาทาร์ซิน่า บี แฮนดิ้ง, แมทธิว ดี ซิมเมอร์แมน, อิวาน จี ชาบาลิน, สตีเว่น ซี อัลโม, วลาเดค ไมเนอร์ (2558).
ชีววิทยา- ศาสตร์แห่งธรรมชาติที่มีชีวิต
ชีววิทยาศึกษาความหลากหลายของสิ่งมีชีวิต โครงสร้างของร่างกายและการทำงานของอวัยวะ การสืบพันธุ์และการพัฒนาสิ่งมีชีวิต ตลอดจนอิทธิพลของมนุษย์ต่อธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต
ชื่อของวิทยาศาสตร์นี้มาจากสอง คำภาษากรีก « ไบออส" - "ชีวิต" และ " โลโก้"-"วิทยาศาสตร์คำ"
หนึ่งในผู้ก่อตั้งวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตคือนักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณผู้ยิ่งใหญ่ (384 - 322 ปีก่อนคริสตกาล) เขาเป็นคนแรกที่สรุปความรู้ทางชีววิทยาที่ได้รับจากมนุษยชาติต่อหน้าเขา นักวิทยาศาสตร์เสนอให้จำแนกสัตว์เป็นประเภทแรก โดยรวมสิ่งมีชีวิตที่มีโครงสร้างคล้ายกันออกเป็นกลุ่ม และกำหนดสถานที่สำหรับมนุษย์ในนั้น
ต่อมานักวิทยาศาสตร์หลายท่านได้ศึกษา ประเภทต่างๆสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในโลกของเรา
ครอบครัววิทยาศาสตร์ชีวภาพ
ชีววิทยาเป็นศาสตร์แห่งธรรมชาติ สาขาวิชาวิจัยของนักชีววิทยามีสาขามากมาย: ประกอบด้วยจุลินทรีย์ พืช เห็ดรา สัตว์ (รวมถึงมนุษย์) โครงสร้างและการทำงานของสิ่งมีชีวิตต่างๆ เป็นต้น
ดังนั้น, ชีววิทยาไม่ได้เป็นเพียงวิทยาศาสตร์ แต่เป็นทั้งครอบครัวที่ประกอบด้วยวิทยาศาสตร์ที่แยกจากกันมากมาย.
สำรวจแผนภาพแบบโต้ตอบเกี่ยวกับกลุ่มวิทยาศาสตร์ชีวภาพ และดูว่าการศึกษาชีววิทยามีสาขาใดบ้าง
กายวิภาคศาสตร์- ศาสตร์แห่งรูปแบบและโครงสร้างของอวัยวะ ระบบ และร่างกายโดยรวม
สรีรวิทยา- ศาสตร์แห่งการทำงานที่สำคัญของสิ่งมีชีวิต ระบบ อวัยวะและเนื้อเยื่อ และกระบวนการที่เกิดขึ้นในร่างกาย
เซลล์วิทยา- ศาสตร์แห่งโครงสร้างและการทำงานของเซลล์
สัตววิทยา
- วิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับสัตว์
ส่วนของสัตววิทยา:
- กีฏวิทยาเป็นศาสตร์แห่งแมลง
มีหลายส่วนในนั้น: coleopterology (การศึกษาด้วง), lepidopterology (การศึกษาผีเสื้อ), myrmecology (การศึกษามด)
- Ichthyology เป็นศาสตร์แห่งปลา
- ปักษีวิทยาเป็นศาสตร์แห่งนก
- เทรีวิทยาเป็นศาสตร์แห่งสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม
พฤกษศาสตร์
- ศาสตร์ที่ศึกษาเรื่องพืช
วิทยา- ศาสตร์ที่ศึกษาเรื่องเห็ด
วิทยาต่อมลูกหมาก - ศาสตร์ที่ศึกษาโปรโตซัว
ไวรัสวิทยา - ศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับไวรัส
แบคทีเรียวิทยา - วิทยาศาสตร์ที่ศึกษาเกี่ยวกับแบคทีเรีย
ความหมายของชีววิทยา
ชีววิทยามีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับกิจกรรมเชิงปฏิบัติของมนุษย์ในหลายๆ ด้าน เช่น เกษตรกรรม อุตสาหกรรมต่างๆ การแพทย์
การพัฒนาที่ประสบความสำเร็จ เกษตรกรรมในปัจจุบันส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับนักชีววิทยาการผสมพันธุ์ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปรับปรุงที่มีอยู่และสร้างพันธุ์พืชที่เพาะปลูกและสายพันธุ์ใหม่ของสัตว์เลี้ยง
ด้วยความสำเร็จทางชีววิทยา อุตสาหกรรมจุลชีววิทยาจึงถูกสร้างขึ้นและกำลังพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จ ตัวอย่างเช่น ผู้คนได้รับ kefir โยเกิร์ต โยเกิร์ต ชีส kvass และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ อีกมากมายเนื่องจากการทำงานของเชื้อราและแบคทีเรียบางประเภท โดยใช้เทคโนโลยีชีวภาพสมัยใหม่ องค์กรต่างๆ ผลิตยา วิตามิน อาหารเสริม ผลิตภัณฑ์อารักขาพืชจากศัตรูพืชและโรค ปุ๋ย และอื่นๆ อีกมากมาย
ความรู้เกี่ยวกับกฎชีววิทยาช่วยในการรักษาและป้องกันโรคในมนุษย์
ทุกปีผู้คนใช้มากขึ้นเรื่อยๆ ทรัพยากรธรรมชาติ- เทคโนโลยีอันทรงพลังกำลังเปลี่ยนแปลงโลกอย่างรวดเร็วจนแทบไม่มีมุมของธรรมชาติที่ยังมิได้ถูกแตะต้องเหลืออยู่บนโลกแล้ว
เพื่อรักษาสภาวะปกติของชีวิตมนุษย์จึงจำเป็นต้องฟื้นฟูสิ่งที่ถูกทำลาย สภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ- สิ่งนี้สามารถทำได้โดยผู้ที่รู้กฎแห่งธรรมชาติเป็นอย่างดีเท่านั้น ความรู้ด้านชีววิทยาและวิทยาศาสตร์ชีวภาพ นิเวศวิทยาช่วยเราแก้ปัญหาการอนุรักษ์และปรับปรุงสภาพความเป็นอยู่บนโลก
ทำงานแบบโต้ตอบให้เสร็จสิ้น -
ชีววิทยาคืออะไร? ชีววิทยาเป็นศาสตร์แห่งชีวิต ของสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่บนโลก
ภาพที่ 3 จากการนำเสนอ “วิทยาศาสตร์”สำหรับบทเรียนชีววิทยาในหัวข้อ “ชีววิทยา”
ขนาด: 720 x 540 พิกเซล, รูปแบบ: jpg. หากต้องการดาวน์โหลดรูปภาพฟรีบทเรียนชีววิทยา
คลิกขวาที่รูปภาพแล้วคลิก "บันทึกรูปภาพเป็น..."ชีววิทยา
หากต้องการแสดงรูปภาพในบทเรียน คุณยังสามารถดาวน์โหลดงานนำเสนอ “Science.ppt” ทั้งหมดพร้อมรูปภาพทั้งหมดในไฟล์ zip ได้ฟรี ขนาดไฟล์เก็บถาวรคือ 471 KB
ดาวน์โหลดการนำเสนอ
"นักพฤกษศาสตร์ Vavilov" - สถาบันพฤกษศาสตร์ประยุกต์ All-Union ในปี 1906 นิโคไล อิวาโนวิช วาวิลอฟ ในปี 1924 เสร็จสมบูรณ์โดย: Babicheva Roxana และ Zhdanova Lyudmila นักเรียนเกรด 10B อำนาจของ Vavilov ในฐานะนักวิทยาศาสตร์และผู้จัดงานวิทยาศาสตร์เติบโตขึ้น ในเมืองเมอร์ตัน (อังกฤษ) ในห้องปฏิบัติการทางพันธุกรรมของสถาบันพืชสวน N. I. Vavilov เกิดเมื่อวันที่ 26 พฤศจิกายน พ.ศ. 2430 ที่กรุงมอสโก
“ กิจกรรมโครงการ” - Alekseeva E.V. แผนการบรรยาย ครูกลายเป็นผู้เขียนโครงการ เรียกดูแหล่งข้อมูลเพิ่มเติม เทคโนโลยีของแบบจำลองข้อมูล กระบวนการศึกษา- การออกแบบบทเรียนชีววิทยา กิจกรรมโครงการ- ทฤษฎีและการปฏิบัติ (วิธีการโครงการ) ขั้นตอนการทำงานของครู ทฤษฎีและการปฏิบัติ บล็อกหลักในโครงการ
“วิทยาศาสตร์แห่งธรรมชาติที่มีชีวิต” - การออกแบบสมุดงาน 3. ชีววิทยา – ศาสตร์แห่งธรรมชาติที่มีชีวิต ชีววิทยาเป็นศาสตร์แห่งธรรมชาติที่มีชีวิต แบคทีเรีย. เห็ด. ประกอบด้วยเซลล์เดียวและไม่มีนิวเคลียส มาร์ค ซิเซโร. ชีววิทยาศึกษาสิ่งมีชีวิต มีคลอโรฟิลล์และก่อตัวในแสง สารอินทรีย์ปล่อยออกซิเจนออกมา คำถาม: ชีววิทยาศึกษาอะไร?
“คณิตศาสตร์ในชีววิทยา” - “การระบุเท้าแบน” การอ่านกราฟ แนวคิดเรื่องความสมมาตร ประเภทของความสมมาตร แนวคิดของกราฟฟังก์ชัน ชีววิทยาทั่วไป, ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10 “การสร้างอนุกรมรูปแบบและเส้นโค้ง” จะมีหูอยู่ที่จุดสัมผัส วงกลม, วงรี. มีมุมมองที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าคณิตศาสตร์เป็นของวิทยาศาสตร์ที่แน่นอน สัดส่วน
มีการนำเสนอทั้งหมด 14 หัวข้อ
